水跃

水跃（hydraulic jump）是在明渠流（像是河流和溢洪道）中常见的水力学现象。当高速的液体流进低速的区域，液面高度会突然上升。快速流动的液体会突然变慢，液面会突然变高，将部分液体的动能转换为位能，其中有部分能量因为紊流而以热的方式耗散。在明渠流中，水跃的现象是快速流动的水流突然变慢，液面变高，类似激波行成的方式。

图1：位在威尔士Canolfan Tryweryn（英语：Canolfan Tryweryn）的筏遇到水跃

最早观察及纪录水跃的人是在1500年代的列奥纳多·达·芬奇^[1]。最早用数学叙述的是都灵大学的Giorgio Bidone（英语：Giorgio Bidone），他在1820年发表了名为Experiences sur le remou et sur la propagation des ondes（漩涡和波传播实验）的论文^[2]。

此现象和流体的初速有关。若初速低于临界速度，不会出现水跃。若初速没有显著的高于超临界流速度，其过渡会以起伏的波来表现。当初速再变快，过渡会变的更突然，到速度够高时，过渡的前缘会破坏，并且卷回到自身。出现此现象时，水跃会伴随着剧烈的紊流、涡流、夹带空气、水面起伏或是水波一起出现。

水跃有两种表现方式，在历史上两种表现方式会使用不同的词语。不过，其中的机制是类似的，只是在不同参考座标下观测时，会有少许的变化。因此两者的物理学以及分析技术是相同的。

这二种表现方式是：

• 静止水跃：快速流动的水以静止水跃方式过渡到缓慢流动的水中，类似图1和图2。
• 涌潮：一个水墙或是水波往水流的上游移动。若考虑一个随着波前移动的参考坐标系，波前相对参考座标系是静止的，其本质上就和静止水跃相同。

一个有关的情形是级联（cascade）：一个水墙或是水波往水流的下游移动，并且盖过较浅的下游水流。。若考虑一个随着波前移动的参考坐标系，可以适用和静止水跃相同的分析方式。

图2：常见水跃的例子，就是在水槽中心略呈圆形的静止水跃。图中也可以明显的看到紊流

在许多文献中都有提到水跃现象，而且有从不同的技术观点来分析^{[3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18]}。

有时用水跃现象来混合化学品^[19]。

相关条目

• 层流
• 激波
• 涌潮
• 湍流
• 波状潮（英语：Undular bore）

参考资料

1. Household phenomenon observed by Leonardo da Vinci finally explained. [2018-08-08]. （原始内容存档于2018-08-07）.
2. Cabrera, Enrique. Water Engineering and Management through Time: Learning from History. CRC Press. 2010. ISBN 978-0415480024.
3. Douglas, J.F.; Gasiorek, J.M.; Swaffield, J.A. Fluid Mechanics 4th. Essex: Prentice Hall. 2001. ISBN 978-0-582-41476-1.
4. Faber, T.E. Fluid Dynamics for Physicists. Cambridge: Cambridge University Press. 1995. ISBN 978-0-521-42969-6.
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6. Fox, R.W.; McDonald, A.T. Introduction to Fluid Mechanics. John Wiley & Sons. 1985. ISBN 978-0-471-88598-6.
7. Hager, Willi H. Energy Dissipaters and Hydraulic Jump. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. 1995. ISBN 978-90-5410-198-7.
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13. Vischer, D.L.; Hager, W.H. Energy Dissipaters. Rotterdam: A.A. Balkema. 1995. ISBN 978-0-8247-5789-2.
14. White, Frank M. Fluid Mechanics. McGraw Hill, Inc. 1986. ISBN 978-0-07-069673-0.
15. Chanson, H. The Hydraulic of Open Channel Flow: an Introduction 2nd. Butterworth-Heinemann. 2004. ISBN 978-0-7506-5978-9.
16. Chanson, H. Current Knowledge In Hydraulic Jumps And Related Phenomena. A Survey of Experimental Results (PDF). European Journal of Mechanics B. 2009, 28 (2): 191–210 [2024-09-17]. Bibcode:2009EuJMB..28..191C. doi:10.1016/j.euromechflu.2008.06.004. （原始内容存档 (PDF)于2016-03-04）.
17. Murzyn, F.; Chanson, H. Free-Surface Fluctuations in Hydraulic Jumps: Experimental Observations. Experimental Thermal and Fluid Science. 2009, 33 (7): 1055–1064 [2024-09-17]. Bibcode:2009ETFS...33.1055M. doi:10.1016/j.expthermflusci.2009.06.003. （原始内容存档于2019-03-19）.
18. Chanson, Hubert. Momentum Considerations in Hydraulic Jumps and Bores (PDF). Journal of Irrigation and Drainage Engineering. April 2012, 138 (4): 382–385 [2024-09-17]. doi:10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000409. （原始内容存档 (PDF)于2015-04-04）.
19. Hydraulic Jump -Types and Characteristics of Hydraulic Jump. The Constructor. 2016-06-17 [2019-12-26]. （原始内容存档于2019-12-26） （美国英语）.

延伸阅读

• Chanson, Hubert. Current Knowledge In Hydraulic Jumps And Related Phenomena. A Survey of Experimental Results (PDF). European Journal of Mechanics B. 2009, 28 (2): 191–210 [2024-09-17]. Bibcode:2009EJMF...28..191C. doi:10.1016/j.euromechflu.2008.06.004. （原始内容存档 (PDF)于2016-03-04）.