بررسی عددی چگونگی تشکیل پرش هیدرولیکی چندضلعی و ساختار جریان سیال در آن

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

در این پژوهش به شبیه سازی عددی سه بعدی پدیده پرش هیدرولیکی چندضلعی با استفاده از روش عددی حجم سیال پرداخته شده است. در هنگام برخورد یک جت سیال با سطح مشاهده می‌شود که یک پرش هیدرولیکی شعاعی در اطراف محل برخورد رخ می‌دهد. در سیالات با لزجت پایین(مثل آب) شکل این پرش به صورت دایروی است و در سیالات با لزجت بالا(مثل اتیلن گلیکول) یک ساختار چندضلعی در هنگام پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد که این ساختار ناشی از وجود امواج مکانیکی در اطراف ناحیه برخورد سیال با سطح می‌باشد. نتایج شبیه سازی عددی با نتایج تجربی محققان پیشین مقایسه شده است که تطابق خوبی از نظر کیفی(شکل و ساختار پرش هیدرولیکی ایجاد شده) و کمی(شعاع پرش هیدرولیکی) در آن دیده می‌شود. در نهایت بر اساس شبیه سازی عددی مشاهده گردید که ابتدا پرش هیدرولیکی به صورت دایروی گسترش یافته و پس از برخورد موج حاصل از پرش با موانع پایین دست جریان، به مرور شکل چندضلعی در پرش ایجاد شده و به حالت پایدار می رسد. همچنین خطوط جریان در این پدیده نشان می‌دهد که وجود جریان‌های با سرعت بالا در نقاطی از حوزه حل موجب تشکیل گوشه‌هایی در پرش هیدرولیکی شده و پرش چندضلعی ایجاد می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Teymourtash AR, Mokhlesi M (2015) Experimental investigation of stationary and rotational structures in non-circular hydraulic jumps. J Fluid Mech 762: 344-360.

 [2] Rayleigh L (1914) On the theory of long waves and bores. Proc R Soc London, Ser A 90(619): 324-328.

[3]  Birkhoff G, Zarantonello E (1957) Jets, Wakes, and Cavities. Academic New York: 294-295.

[4]  Watson E (1964) The radial spread of a liquid jet over a horizontal plane. J Fluid Mech 20(3): 481-499.

[5]  Bush JW, Aristoff JM (2003) The influence of surface tension on the circular hydraulic jump. J Fluid Mech 489: 229-238.

[6]  Ellegaard C, Hansen AE, Haaning A, Hansen K, Marcussen A, Bohr T, Hansen JL, Watanabe S (1998) Creating corners in kitchen sinks. Nature 392(6678): 767-768.

[7]  Bush JW, Aristoff JM, Hosoi A (2006) An  experimental investigation of the stability of the circular hydraulic jump. J Fluid Mech 558: 33-52.

[8]  Yokoi K, Xiao F (1999) A numerical study of the transition in the circular hydraulic jump. Phys Lett A 257(3): 153-157.

[9]  Yokoi K, Xiao F (2002) Mechanism of structure formation in circular hydraulic jumps: Numerical studies of strongly deformed free-surface shallow flows. Physica D-Nonlinear Phenomena 161(3): 202-219.

[10] Kasimov AR (2008) A stationary circular hydraulic jump, the limits of its existence and its gasdynamic analogue. J Fluid Mech 601: 189-198.

[11] Passandideh-Fard M, Teymourtash AR, Khavari M (2011) Numerical study of circular hydraulic jump using volume-of-fluid method. J Fluid Mech 133(1): 011401.

[12] Martens EA, Watanabe S, Bohr T (2012) Model for polygonal hydraulic jumps. Phys Rev E 85(3): 036316.

[13] Labousse M, Bush JW (2015) Polygonal instabilities on interfacial vorticities. Eur Phys J E 38(10): 113.

[14] Youngs DL (1982) Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion. Numerical methods for fluid dynamics. Academic Press, New York, USA.

[15] Landau LD, Lifschitz EM (1987) Fluid Mechanics. 2nd edn. Oxford: Pergamon Press.

[16] Aleinov I, Puckett E (1995) Computing surface tension with high-order kernels. In Proceedings of the 6th International Symposium on Computational Fluid Dynamics 13-18.

[17] Errico M (1987) A study of the interaction of liquid jets with solid surfaces. Ph.D. thesis. Department of Chemical Engineering, University of California, San Diego, Calif, USA.

[18] Bussmann M (2000) A three-dimensional model of an impact droplet. PhD thesis. University of Toronto.

[19] Soukhtanlou E, Teymourtash AR, Mahpeykar MR (2018) Proposal of expermental relations for determining the number of sides of polygonal hydraulic jumps. Modares Mechanical Engineering 18(1): 207-216. (in Persian)