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5.5 : Le Saut Hydraulique - Géosciences

5.5 : Le Saut Hydraulique - Géosciences


Nous n'avons toujours pas traité l'exemple du pas positif, tel qu'il est présenté à la figure 5.4.6, pour toutes les informations qu'il offre. Comment, alors, l'écoulement passe-t-il de supercritique, juste en aval de la marche, à sous-critique très en aval ? La réponse est que généralement dans des situations comme celle-ci, le passage du supercritique au sous-critique est brusque, sous la forme de ce qu'on appelle un saut hydraulique, plutôt que graduelle.

Les ressauts hydrauliques sont une caractéristique frappante de l'écoulement à ciel ouvert. Vous les avez tous vus, ne serait-ce que dans votre évier de cuisine. Vous ouvrez le robinet à pleine force et le jet descendant frappe le fond de l'évier pour former une mince nappe d'eau en mouvement rapide, avec une profondeur et une vitesse supercritiques, qui s'étend dans toutes les directions. Mais à un certain rayon du point d'impact du jet, qui dépend de la force du jet descendant, l'écoulement saute jusqu'à un écoulement plus profond et plus lent à mesure qu'il se dirige vers le drain. Le saut se présente sous la forme d'un front raide et quasi stationnaire accompagné de fortes turbulences (Figure (PageIndex{1})). Une autre situation dans laquelle un ressaut hydraulique se forme couramment est en aval d'un changement d'une pente de canal relativement raide, avec laquelle un écoulement supercritique est associé, à une pente de canal relativement douce, sur laquelle un écoulement uniforme serait sous-critique. Si le changement de pente est suffisamment rapide, la transition d'un écoulement supercritique à un écoulement sous-critique se fait sous la forme d'un ressaut hydraulique plutôt que d'un changement régulier de profondeur et de vitesse.

La nature du ressaut hydraulique ne peut être expliquée par l'utilisation de l'équation de l'énergie, car il y a une dissipation d'énergie importante du fait de la turbulence associée au ressaut ; nous devons plutôt faire appel à la conservation de la quantité de mouvement.

La figure (PageIndex{1}) est une vue en coupe de l'écoulement de l'amont du ressaut hydraulique vers l'aval de celui-ci. Regardez un bloc de l'écoulement délimité par des plans verticaux imaginaires aux sections transversales (1) et (2). Les répartitions des forces de pression hydrostatique sont représentées sur les faces amont et aval du bloc. Il faudrait situer la section (2) assez loin en aval du saut, car il faut une longue distance pour que l'écoulement en aval s'organise. En l'absence d'obstacle immergé à l'écoulement entre les tronçons (1) et (2), les seules forces fluviales sur le fluide dans le bloc sont les forces de pression sur les faces amont et aval ; le ressaut hydraulique lui-même n'exerce aucune force sur l'écoulement. Pour voir l'effet de ces forces, nous devons faire une comptabilité de l'élan à utiliser dans la deuxième loi de Newton, (F = ma). Pour cela, regardez la Figure (PageIndex{2}), un léger remaniement de la Figure (PageIndex{1}).

Dans un court intervalle de temps (Delta t), le bloc de fluide se déplace vers l'aval des positions (1) et (2) aux positions (1^{prime}) et (2^{ premier}). Pendant ce temps, il a perdu une quantité de mouvement égale à celle du fluide qui se trouvait entre les sections (1) et (1^{prime}). Cette quantité de mouvement, écrite par unité de largeur d'écoulement (rappelons que le canal est de même largeur d'amont en aval du ressaut hydraulique) est (left[ ho d_{1}(Delta x)_{1} ight ] U_{1}), où (U_{1}) est la vitesse moyenne à la section (1). Cela peut être exprimé légèrement différemment, en gardant à l'esprit que (U_{1} = (Delta x)_{1} / Delta t) et (q = Ud), comme ( ho d_{1 } U_{1}^{2} Delta t), ou ( ho q U_{1} Delta t). Ceci peut être écrit sous une autre forme en éliminant (U_{1}) en utilisant à nouveau la relation (q = Ud) : (left(q^{2} ho / d_{1} droite) Delta t). De même, pendant (Delta t) le bloc fluide a pris une quantité de mouvement égale à celle du fluide qui s'est déplacé pour occuper le volume entre les sections (2) et (2^{prime}): (left(q^{2} ho / d_{2} ight) Delta t). Le changement de quantité de mouvement lorsque le bloc fluide se déplace de la position (1–2) à la position (1^{prime}–2^{prime}) est alors

[left(frac{q^{2} ho}{h_{1}} ight) Delta t-left(frac{q^{2} ho}{h_{2}} à droite) Delta t label{5.15} ]

ou alors

[left(frac{q^{2} ho}{h_{1}}-frac{q^{2} ho}{h_{2}} ight) Delta t label{5.16 } ]

Le taux de changement de quantité de mouvement du bloc fluide est alors obtenu en divisant par l'intervalle de temps (Delta t):

[frac{q^{2} ho}{h_{1}}-frac{q^{2} ho}{h_{2}} label{5.17} ]

Par la deuxième loi de Newton, nous pouvons définir ce taux de changement de quantité de mouvement égal à la force nette dans le sens du courant sur le bloc fluide, (F_{1}) (agissant dans le sens aval) moins (F_{2}) ( agissant dans le sens amont). La distribution linéaire des forces de pression hydrostatique sur les faces amont et aval du bloc fluide permet de retrouver facilement les forces résultantes (F_{1}) et (F_{2}) :

[F_{1}=int_{0}^{h_{1}} ho g y d y=frac{1}{2} ho g h_{1}^{2} label{5.18} ]

et de même (mathrm{F}_{2}=(1 / 2) ho mathrm{g} d_{2}^{2}). La force nette sur le bloc fluide est alors

[F_{1}-F_{2}=frac{ ho g h_{1}^{2}}{2}-frac{ ho g h_{2}^{2}}{2} étiquette{5.19} ]

Enfin, en fixant cette force nette égale au taux de changement de quantité de mouvement,

[frac{q^{2} ho}{h_{1}}-frac{q^{2} ho}{h_{2}}=frac{ ho g h_{1}^{ 2}}{2}-frac{ ho g h_{2}^{2}}{2} label{5.20} ]

Nous pouvons masser cela un peu pour le mettre sous une forme plus pratique pour nos besoins en réorganisant et en divisant par ( ho g):

[left(frac{q^{2}}{g h_{1}}+frac{h_{1}^{2}}{2} ight)-left(frac{q^{ 2}}{g h_{2}}+frac{h_{2}^{2}}{2} ight)=0 label{5.21} ]

Ce qui se fait couramment, c'est de définir une quantité

[M=frac{q}{g d}+frac{d^{2}}{2} label{5.22} ]

appelé le fonction de quantité de mouvement. Alors l'équation ef{5.21} se résume à (M_{1} - M_{2} = 0), qui dit que la fonction de quantité de mouvement ne change pas au cours de la transition, à condition qu'aucune force fluviale autre que les forces de pression hydrostatique (comme les forces de résistance exercées par les obstacles dans le fond du canal) agissent sur le bloc de fluide.

Tout comme pour l'énergie spécifique dans une section précédente, nous pouvons tracer un graphique utile de la fonction de quantité de mouvement (M) en fonction de la profondeur d'écoulement d (Figure 5-15). Et tout comme avec le diagramme d'énergie spécifique (Figure 5.2.1), vous pouvez vérifier la forme de la courbe de la Figure (PageIndex{3}) en supposant une valeur pour (q), en choisissant des valeurs pour (d), et en calculant les valeurs correspondantes de (M); dans ce cas, cependant, il n'y a pas de membre irréaliste de la fonction au-dessous de l'axe (d = 0). Il existe une famille de courbes, de la forme générale représentée sur la figure (PageIndex{3}), une pour chaque valeur de débit par unité de largeur (q). Comme pour le diagramme d'énergie spécifique, tous les points du membre supérieur de chaque courbe, au-dessus du point de tangente verticale, représentent un écoulement supercritique, et tous les points du membre inférieur, en dessous du point de tangente verticale, représentent un écoulement sous-critique.

Nous avons maintenant les outils pour prédire la hauteur du ressaut hydraulique. Nous commençons au point (1) sur le membre inférieur supercritique de la courbe de la figure (PageIndex{3}), et sautons jusqu'au point (2), à la même valeur de (M ) mais sur le limbe supérieur, sous-critique, correspondant à l'écoulement sous-critique plus profond en aval du ressaut hydraulique. Vous pouvez voir que plus l'écoulement supercritique en amont est proche de la condition critique, plus la hauteur du ressaut hydraulique vers l'écoulement sous-critique est petite, représentée par la distance verticale entre les points d'intersection respectifs de la verticale constante (M =) ligne avec les deux membres de la courbe de la figure (PageIndex{3}).

Noter

De même que les formes des courbes de la famille de courbes avec q comme paramètre de la figure (PageIndex{3}) diffèrent des formes des courbes correspondantes de la figure 5.2.1, le diagramme de tête spécifique, de même les équations pour la condition d'écoulement critique - mais cela ne doit pas nous concerner ici. Vous pouvez vous-même faire un pas de plus, le même que pour le diagramme de tête spécifique, pour trouver la forme de la courbe pour les flux critiques dans la figure (PageIndex{2}), le diagramme impulsion-fonction.

Enfin, une note accessoire s'impose. L'écoulement sous-critique en aval du ressaut, qui ressort des considérations ci-dessus, n'est pas exactement de la même profondeur et de la même vitesse que l'écoulement uniforme sous-critique qui est finalement atteint loin en aval de la marche ; il y a un certain ajustement lent à cette condition.


5.5 : Le Saut Hydraulique - Géosciences

A. Titre de l'étude proposé :

Un saut hydraulique a-t-il joué un rôle dans la propagation rapide de l'incendie de Kincade, le 27 octobre 2019 ?

L'écoulement au large associé à de fortes vitesses de vent est une caractéristique reconnue de la climatologie de la Californie. Historiquement, de tels événements ont été appelés vents de Santa Ana dans le sud de la Californie et vents de Diablo dans le centre-nord de la Californie (avec d'autres noms donnés localement ainsi que dans certaines parties de la Californie). Les explications classiques de ces vents forts, secs et descendants impliquent des allusions aux champs de mouvement verticaux à l'échelle synoptique et/ou aux champs de hauteur et de pression liés à la pensée quasi-géostrophique. Au cours des années 1970 jusqu'aux années 1990, le rôle des effets à méso-échelle, y compris l'écoulement interstitiel et les conduits associés au phénomène de saut hydraulique, s'est avéré être en jeu dans les événements les plus forts, tels que celui associé à l'incendie d'Oakland HIlls de 1991. Le but de cette recherche vise à déterminer s'il existe des preuves météorologiques qu'un phénomène de saut hydraulique était responsable de l'accélération rapide des vents forts qui se sont produits dans la zone de l'incendie de Kincade pendant la période d'avancée rapide du front de feu le 27 octobre 2019. ( Passez en revue ce que nous avons fait dans e465 concernant votre projet : http://tornado.sfsu.edu/Geosciences/classes/e465/ResearchAssignments/Research.html)

Un ressaut hydraulique a-t-il été associé à l'augmentation rapide des forts vents descendants observés pendant la période d'avancée rapide de l'incendie de Kincade le 27 octobre 2019 ?

RÉ. Hypothèse à tester

Paramètres météorologiques d'un ressaut hydraulique développé à travers l'incendie de Kincade le 27 octobre 2019.


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Pilonneuse Jumping Jack

La pilonneuse Jumping Jack est une machine de compactage qui utilise l'impact et les vibrations pour compacter le remblai en couches. La pilonneuse à essence, également connue sous le nom de pilonneuse à puissance de feu, est utilisée pour tasser et niveler le gravier d'asphalte, le béton et l'argile. Il est particulièrement adapté à la construction de bâtiments, de terrains, de cours, de plates-formes, de piles de ponts, de tranchées, de champs et de sites étroits. La pilonneuse sauteuse surmonte les défauts des pilonneuses électriques qui ont besoin de trouver une source d'alimentation et résout le problème de ne pas travailler sans électricité, en particulier en surmontant les facteurs dangereux des pilonneuses électriques sur le corps humain, et peut être compétente pour les tâches de construction qui les machines de grande et moyenne taille ne peuvent pas terminer. La bourreuse sauteuse adopte un système d'impact lubrifié à l'huile entièrement fermé, qui a une structure compacte, une grande amplitude de saut, une force d'impact élevée, un faible coût de maintenance et peut réduire la fatigue de l'opérateur.

La machine de bourrage sauteuse convient au compactage du sol remblayé et du gravier dans la construction d'autoroutes, au compactage du sol de fondation de route pour les municipalités, les aéroports, les ports et les stations compactage du sol remblayé autour des voies navigables souterraines, des canalisations électriques souterraines et des gazoducs, et étroit chantiers construction etc.

Principe de fonctionnement

Le pilon de bourrage Jumping Jack est fabriqué selon le principe d'un moteur à combustion interne à deux temps. Il y a deux pistons dans le cylindre, le piston supérieur est le piston à combustion interne et le piston inférieur est le piston tampon. La partie inférieure du cylindre est équipée d'un pilon avec une surface inférieure inclinée, de sorte que l'axe vertical du cylindre est incliné vers l'avant. La tige de piston supérieure dépasse du trou traversant au milieu du couvercle supérieur du cylindre, et la tige de piston inférieure dépasse de l'extrémité inférieure du cylindre et est intégrée au pilon. Le cylindre et le pilon sont tendus par des ressorts, et des mains courantes sont fournies pour contrôler la direction vers l'avant du pilon de bourrage Jumping Jack. Sous l'action de la force explosive du mélange combustible, le bélier d'impact a sauté du sol vers l'avant et vers le haut et, sous son propre poids, il est tombé au sol et a percuté le sol. La pilonneuse sauteuse bondit et tombe, et le fuselage avance pas à pas.

Conception importante

  • Ressort d'impact. Les pilonneuses Jumping Jack ont ​​des exigences élevées en matière de ressorts à impact, et les aciers à ressort doivent avoir une résistance élevée à la fatigue, sinon ils cèderont facilement en raison de la fatigue et perdront de l'élasticité ou même se cassent. À l'heure actuelle, en raison de considérations de coût, la plupart des matériaux de ressort des pilonneuses électriques sont en acier à ressort ordinaire, et il n'y a qu'un seul jeu de ressorts, donc la force d'impact et la fréquence d'impact des pilonneuses électriques ne sont pas élevées, et les ressorts sont faciles à casser.
  • Conception d'équilibre dynamique. Le mouvement de la bourreuse sauteuse est principalement un mouvement alternatif linéaire à haute fréquence vertical, et la hauteur de la machine est élevée, de sorte que la bourreuse sauteuse a une exigence élevée pour l'équilibre dynamique global de la machine, et un équilibre dynamique spécial la conception et les tests sont nécessaires. Sinon, la machine sera instable et difficile à contrôler, ce qui augmente considérablement l'intensité du travail de l'opérateur.
  1. La course est réglable, ce qui permet de compacter différentes routes de sol et d'asphalte.
  2. Le grand système de filtre à air fermé est facile à nettoyer et le moteur n'est pas facilement endommagé.
  3. Le couvercle spécial du silencieux peut réduire le bruit généré par le moteur et la plaque inférieure pour l'opérateur.
  4. La poignée de guidage absorbant les chocs peut réduire la fatigue de l'opérateur.
  5. La plaque inférieure en fonte ductile a une durée de vie plus longue.
  6. Système d'impact de lubrification par éclaboussure entièrement scellé pour assurer une lubrification fiable des pièces.

Dépannage

1. Le bloc-cylindres est verrouillé, le roulement est verrouillé ou même endommagé.

  • La machine manque de lubrification.
  • Solution : Avant d'utiliser la nouvelle machine, ajoutez 0,6 litre d'huile lubrifiante n°10 au corps. Changez l'huile une fois après 30 heures de fonctionnement continu, puis changez-la toutes les 100 heures.

2. L'alimentation est normale et la machine ne fonctionne pas.

  • Le corps du piston est cassé.
  • La carte de printemps tombe.
  • Le roulement est bloqué ou endommagé.
  • L'engrenage est endommagé.
  • La cannelure (électrique) ou l'arbre cannelé est endommagé.
  • (Type à combustion interne) Le ressort d'embrayage est déconnecté et l'embrayage ne fonctionne pas.
  • Le joint d'huile (de type à combustion interne) est endommagé et l'huile de lubrification pénètre dans l'arbre de transmission, provoquant le patinage de l'embrayage.

3. La machine de bourrage de prise sauteuse fuit de l'huile.

  • Le joint est endommagé et vieilli ou le réservoir de carburant est endommagé.
  • La fenêtre d'huile ou la vis de graissage est desserrée et le joint n'est pas étanche.
  • Lors de la réparation, sélectionnez la réparation ou le remplacement en fonction de la situation spécifique.
  • L'ajout de trop ou trop peu d'huile lubrifiante rend la résistance du ressort trop grande et ne peut pas se dilater et se contracter normalement.
  • Le ressort est vieilli ou raccourci.
  • La plaque de pression du ressort s'amincit après usure.
  • L'huile de graissage ajoutée n'est pas conforme à la norme.

Les cerceaux supérieur et inférieur sont lâches.

6. L'éperonneuse a des sauts indirects et s'arrête de fonctionner après plusieurs sauts.


Remerciements

T. J. Ronan remercie la National Science Foundation (NSF) [10.13039/100000001] (CDI-1125185) et le Martin Fund, University of North Carolina at Chapel Hill pour leur soutien financier. T. D. Mikesell remercie Boise State University pour son soutien financier. Tous les auteurs remercient la ville de Boise Parks and Recreation, Paul Primus, Paul Schonfielder, Paul Collins, Larry Otheim, Jordan Johnson, Hugo Ortiz et Will Wicherski pour leur aide dans la collecte de données lors des expériences sismiques HWMD. Les données utilisées sont répertoriées dans le référentiel de données de la Boise State University Scholar Works à l'adresse DOI : https://doi.org/10.18122/B2K30X.

Remarque : L'éditeur n'est pas responsable du contenu ou de la fonctionnalité des informations fournies par les auteurs. Toute question (autre que le contenu manquant) doit être adressée à l'auteur correspondant pour l'article.


Voir la vidéo: Pertes de charge singulières partie 1