זנק הידראולי (Hydraulic Jump) הוא קפיצה פתאומית בגובה פני המים בזרימה בתעלה פתוחה, שמתרחשת בלי שינוי גיאומטרי פתאומי בתעלה. בחלקה, האנרגיה הקינטית של הזרימה מומרת לטורבולנציה (ערבוב חזק) ולאנרגיית חום. זו גם הסיבה שהזנק משויך להפסדי אנרגיה גדולים.
יש דמיון בין זנק הידראולי לגל הלם בזרימה דחיסהית: גם שם יש שינוי פתאומי בחזית הזרימה ובתנאים הפיזיקליים.
אופי הזרימה נקבע באמצעות מספר פראוד (Fr), מספר חסר מימדים שמקשר בין מהירות הזרימה למהירות גל כבידה בעומק המים. אם Fr>1 הזרימה נקראת על-קריטית (מהירה ושטוחה), Fr=1 קריטית, ו-Fr<1 תת-קריטית (איטית ועמוקה). זנק הידראולי נוצר כשזרימה על-קריטית פוגשת אזור תת-קריטי.
את גובה הקפיצה ניתן לחזות באמצעות שתי משוואות יסודיות: עקרון הרציפות (שימור מסת הנוזל) ומשוואת שימור התנע (momentum). בעקרון הרציפות שומרים על הספיקת הזרימה, כלומר v_0 h_0 = v_1 h_1 בתעלה מלבנית. בניתוח התנע בוחנים את הכוחות ההידרוסטטיים משני צידי הקפיצה.
שילוב המשוואות מוביל לקשר בין העומקים אחרי ולפני הקפיצה. תוצאה ידועה היא משוואת Bélanger, שמקשרת בין יחס העומקים h1/h0 לבין מספר פראוד. מסקנה חשובה: זנק ייתכן רק אם הזרימה לפניו על-קריטית ואחריו תת-קריטית.
בחישוב האנרגיה נלקחת בחשבון האנרגיה הקינטית, האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה ההידרוסטטית. חלק מהאנרגיה נאבד ללא שוב לצורת חום דרך טורבולנציה. עבור ספיקה נתונה Q_M ניתן להראות שהאובדן תלוי בהפרש העומקים h1-h0, ופחת האנרגיה גדל במה שקשור להפרש זה.
ניתוחים מתמטיים פשוטים ממחישים מתי הקפיצה תיווצר. למשל בנחשול גאות, מאמצי התפשטות גל ומהירות קצה מייצרים מצב שבו מאפייני המשוואות מתנגשים, והפתרון הממשי הופך לאי-סדר, כאן מתחיל הזנק והמשוואות הדיפרנציאליות הרגילות כבר לא חלות.
במקרה של גאות ונחשול, האינטראקציה בין מהירות הנהר ומהירות הגאות יכולה לגרום להיווצרות קפיצה נעה או קבועה לאורך הנהר.
בכיור אפשר לראות זנק רדיאלי: מים מהברז יוצרים זרם מהיר ודק שבמרחק מסוים עוברים לקפיצה ורוחב הזרם גדל והמהירות יורדת. כאן פועלים גם מתח פנים וחיכוך עם הכיור. בתנאים מסוימים (שכוללים יחס בין מתח הפנים וכוחות הגרביטציה) הפתרון נעשה סינגולרי ומתקבל זנק.
בהנדסת מים נוצר זנק הידראולי מכוון כדי לבזבז אנרגיה של זרימות מהירות. זנק מתוכנן יכול להפחית עד כ־60, 70% מאנרגיית הזרימה, וכך להגן על מבנים ולמנוע שחיקה נוספת.
היסטורית תוארו שתי וריאציות מרכזיות של הזנק, אך המכניזם הבסיסי זהה: העברה פתאומית בין מצבי זרימה שונים, וניתוחיהן נעשים באותו אופן אנליטי.
זנק הידראולי הוא קפיצה פתאומית בגובה המים. המים עוברים מזורמת מהירה ודקה לזורמת איטית ועמוקה.
טורבולנציה היא ערבוב חזק שיוצר בועות וקצף.
מספר פראוד הוא מספר שמשווה מהירות הזרימה למהירות גל הכבידה. אם המספר גדול מ־1 הזרימה מהירה, ואם קטן הזרימה איטית.
זנק קורה כשמים מהירים פוגשים אזור איטי.
בנהר ליד הים הגאות יכולה לדחוף גל חזק. הגל הזה יכול ליצור זנק כשהוא פוגש את הנהר.
בכיור, זרם מהברז דק ומהיר. במקום מסוים המים נעשים עבים ואטיים.
זהו זנק קטן שניתן לראות עם בועות וקצף.
מהנדסים משתמשים בזנק כדי לפזר אנרגיה. זה שומר על סוללות ותעלות מפני נזק.
זנק מתוכנן יכול להפחית עד כ־60, 70% מהאנרגיה של הזרימה.
תגובות גולשים