Glossaire des Termes Techniques Utilisé dans Purification de l'eau: hydraulic jump

hydraulic jump

Le Saut Hydraulique : Un Phénomène Puissant dans le Traitement de l'Eau et de l'Environnement

Imaginez de l'eau s'écoulant rapidement dans un canal, son énergie concentrée dans un courant rapide. Soudain, l'eau rencontre un obstacle, la forçant à ralentir. Ce changement brusque de vitesse crée un phénomène spectaculaire connu sous le nom de saut hydraulique, une augmentation soudaine et significative du niveau de la surface de l'eau.

Comprendre le Phénomène

Un saut hydraulique se produit lorsque de l'eau à haute vitesse s'écoulant dans un canal ouvert rencontre un changement dans ses conditions d'écoulement. Ce changement peut être causé par :

  • Une diminution brusque de la pente du canal : L'eau qui s'écoule en descente rencontre soudainement une section plus plate, ce qui provoque une réduction de la vitesse.
  • Un obstacle dans le trajet de l'écoulement : Un barrage, un déversoir ou même un changement de forme du canal peuvent agir comme une obstruction, forçant l'eau à ralentir.
  • Augmentation du débit : Une augmentation du volume d'eau s'écoulant dans le canal peut également déclencher un saut hydraulique.

Alors que l'eau décélère, elle perd son énergie cinétique, qui est convertie en énergie potentielle. Cela se manifeste par une augmentation spectaculaire du niveau de la surface de l'eau, créant une zone turbulente, souvent agitée.

Importance dans le Traitement de l'Eau et de l'Environnement

Les sauts hydrauliques jouent un rôle crucial dans diverses applications environnementales et de traitement de l'eau, notamment :

  • Dissipation d'énergie : Les sauts hydrauliques sont très efficaces pour dissiper l'énergie de l'eau qui s'écoule. C'est particulièrement important pour protéger les structures en aval du saut, telles que les ponts, les déversoirs et les barrages.
  • Contrôle du débit : En créant une augmentation soudaine du niveau de l'eau, les sauts hydrauliques peuvent être utilisés pour contrôler les débits et prévenir l'érosion dans les canaux.
  • Sédimentation : L'écoulement turbulent à l'intérieur d'un saut hydraulique peut efficacement faire sédimenter les particules en suspension, ce qui en fait un outil utile pour les bassins de sédimentation et les réservoirs de décantation.
  • Mélange : Le mélange intense qui se produit à l'intérieur d'un saut peut être utilisé pour améliorer les réactions chimiques et améliorer l'efficacité du mélange dans les procédés de traitement des eaux usées.
  • Aération : La turbulence créée par un saut hydraulique peut augmenter le transfert d'oxygène dans l'eau, ce qui est bénéfique dans de nombreuses applications de traitement de l'eau.

Applications Pratiques

Voici quelques exemples pratiques de sauts hydrauliques en action :

  • Traitement des eaux usées : Les sauts hydrauliques sont couramment utilisés dans les réservoirs de sédimentation et les bassins de décantation pour éliminer les solides en suspension.
  • Déversoirs de barrages : Les sauts hydrauliques aident à dissiper l'énergie de l'eau qui s'écoule sur les déversoirs, empêchant les dommages à la structure du barrage.
  • Canaux d'irrigation : Les sauts hydrauliques peuvent être utilisés pour contrôler l'écoulement de l'eau et prévenir l'érosion dans les canaux d'irrigation.
  • Passage des poissons : Dans certains cas, les sauts hydrauliques peuvent être utilisés pour créer un « saut » pour que les poissons puissent contourner des obstacles comme les barrages.

Conclusion

Le saut hydraulique est un phénomène fascinant avec des applications importantes dans le domaine de l'environnement et du traitement de l'eau. Sa capacité à dissiper l'énergie, à contrôler le débit et à améliorer le mélange en fait un outil précieux pour les ingénieurs et les scientifiques qui travaillent à gérer et à traiter efficacement les ressources en eau.


Test Your Knowledge

Hydraulic Jump Quiz:

Instructions: Choose the best answer for each question.

1. What causes a hydraulic jump to occur? a) An increase in water temperature. b) A sudden decrease in water velocity. c) A decrease in water pressure. d) An increase in water salinity.

Answer

b) A sudden decrease in water velocity.

2. Which of the following is NOT a benefit of hydraulic jumps in environmental and water treatment? a) Energy dissipation. b) Increased water temperature. c) Flow control. d) Sedimentation.

Answer

b) Increased water temperature.

3. How can a hydraulic jump be used for sedimentation? a) By creating a smooth flow that allows particles to settle slowly. b) By using the jump's turbulence to settle suspended particles. c) By creating a vortex that traps particles at the bottom. d) By using the jump's energy to filter out particles.

Answer

b) By using the jump's turbulence to settle suspended particles.

4. In which of the following applications are hydraulic jumps NOT commonly used? a) Wastewater treatment. b) Dam spillways. c) Irrigation canals. d) Power generation.

Answer

d) Power generation.

5. What is the primary reason hydraulic jumps are used on dam spillways? a) To increase the flow rate over the spillway. b) To prevent erosion of the dam structure. c) To create a recreational area for visitors. d) To aerate the water flowing over the spillway.

Answer

b) To prevent erosion of the dam structure.

Hydraulic Jump Exercise:

Scenario: You are designing a sedimentation basin for a wastewater treatment plant. The basin will be rectangular with a width of 10 meters. The incoming flow has a velocity of 2 meters per second and a depth of 0.5 meters. You want to use a hydraulic jump to settle out suspended solids in the basin.

Task: Determine the approximate length of the sedimentation basin needed to create a hydraulic jump, considering the following:

  • Froude Number (Fr): The Froude number is a dimensionless parameter that describes the ratio of inertial forces to gravitational forces. It helps determine whether the flow is subcritical (Fr < 1) or supercritical (Fr > 1). For a hydraulic jump to occur, the flow must transition from supercritical to subcritical.
  • Froude Number Equation: Fr = V / (gD)^0.5
    • V = velocity (m/s)
    • g = acceleration due to gravity (9.81 m/s²)
    • D = depth (m)
  • Hydraulic Jump Length (Lj): Lj = (5/3) * D * (Fr2 - 1) / Fr2

Steps:

  1. Calculate the Froude number for the incoming flow.
  2. Determine the Froude number needed for the flow after the jump to be subcritical (Fr < 1).
  3. Use the Hydraulic Jump Length equation to estimate the length of the basin needed to create the jump.

Exercice Correction

1. **Froude number for the incoming flow:** Fr = V / (gD)^0.5 = 2 / (9.81 * 0.5)^0.5 ≈ 0.90 (supercritical) 2. **Froude number after the jump (subcritical):** We need Fr < 1. Let's assume a Froude number of 0.5 after the jump. 3. **Hydraulic Jump Length:** Lj = (5/3) * D * (Fr2 - 1) / Fr2 = (5/3) * 0.5 * (0.9² - 1) / 0.9² ≈ -0.28 meters * The calculated length is negative. This indicates that the flow is already subcritical, and a hydraulic jump might not be necessary. However, this is a simplified calculation, and other factors (like friction and turbulence) could influence the jump's formation. In practice, you would need to consider additional factors and potentially conduct further analysis or modeling.


Books

  • Fluid Mechanics by Frank M. White: A classic textbook covering fluid mechanics principles, including the hydraulic jump.
  • Open Channel Hydraulics by Ven Te Chow: A comprehensive text on open channel flow, with a dedicated section on hydraulic jumps.
  • Hydraulic Structures by R.C. Hibbeler: Explores the design and applications of hydraulic structures, including those incorporating hydraulic jumps.

Articles

  • "Hydraulic Jump: A Review" by A.K. Jain & D.K. Jain: A comprehensive review of the hydraulic jump phenomenon, its characteristics, and applications.
  • "Hydraulic Jumps: Their Role in Environmental and Water Treatment Applications" by M.K. Sharma & A.K. Sharma: An article focusing on the use of hydraulic jumps in water treatment processes.
  • "Modeling of Hydraulic Jumps in Open Channels" by J.H. Lee & S.Y. Lee: A research article exploring different numerical models for simulating hydraulic jumps.

Online Resources

  • National Research Council of Canada: Provides research and educational resources on hydraulic jumps and other open channel flow phenomena.
  • Hydraulic Jump Calculator: Offers online tools for calculating parameters related to hydraulic jumps, such as the jump height and energy dissipation.
  • Wikipedia: Hydraulic Jump: A good starting point for a basic overview of the phenomenon.

Search Tips

  • "Hydraulic jump" + "applications": Find articles and resources focusing on practical applications of hydraulic jumps.
  • "Hydraulic jump" + "energy dissipation": Search for information on how hydraulic jumps can be used to reduce energy in water flows.
  • "Hydraulic jump" + "wastewater treatment": Explore the specific applications of hydraulic jumps in wastewater treatment.
  • "Hydraulic jump" + "numerical simulation": Discover research articles and software packages for modeling hydraulic jumps.
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