دانشمندان نوسانات پرش های هیدرولیک دایره ای را مشاهده و توضیح می دهند

در یک مطالعه جدید منتشر شده که در نامه معاینه فیزیکیدانشمندان بررسی می‌کنند که چگونه جت‌های کوچک آب می‌توانند نوسانات دوره‌ای پایدار را روی یک دیسک سخت ایجاد کنند، که ارتباطی بین این حرکات و امواجی که تولید می‌کنند آشکار می‌کنند و بینشی را در مورد تعامل دینامیکی رفتار سیال ارائه می‌دهند.

پرش هیدرولیک پدیده ای است که زمانی رخ می دهد که یک سیال سریع به طور ناگهانی با یک منطقه کندتر یا راکد مواجه می شود. این انتقال ناگهانی منجر به تغییر در ویژگی‌های جریان می‌شود و باعث ایجاد یک سنبله قابل مشاهده یا پرش در ارتفاع مایع می‌شود.

در این فرآیند، انرژی جنبشی مایع با جریان سریع تبدیل می شود انرژی پتانسیل، منجر به تغییر در سرعت و عمق جریان می شود. این پدیده معمولاً در شرایط مختلفی مشاهده می شود، مانند زمانی که یک جت مایع با سطح برخورد می کند، مانند رودخانه ها یا پایین دست سدها.

اکنون، محققان فرانسوی سناریویی را بررسی کرده‌اند که در آن یک پرش هیدرولیک دایره‌ای تحت نوسانات دوره‌ای پایدار روی یک دیسک سخت قرار می‌گیرد.

اورلین گورلینگر، نویسنده اصلی این مطالعه، در توضیح انگیزه این تیم در پشت این مطالعه، به Phys.org گفت: «پرش هیدرولیکی یک پدیده فراگیر است که ساده به نظر می‌رسد. با این حال، آن را غیر شهودی است، زیرا طبیعت انتقال صاف را به تغییرات تیز ترجیح می دهد.

بنابراین مدل‌سازی پرش هیدرولیک دشوار است، حتی اگر از زمان داوینچی مورد مطالعه قرار گرفته است. از آنجایی که بسیاری از جنبه های اساسی باید درک یا حتی کشف شوند، پرش هیدرولیک یک زمینه تحقیقاتی فعال برای تیم ما باقی می ماند.

پرش های هیدرولیک دایره ای و جت های آب

این راه اندازی آزمایشی در این مطالعه شامل ایجاد پرش های هیدرولیکی دایره ای بر روی یک هارد دیسک با استفاده از یک جت آب زیر میلی متری بود.

محققان یک جت آب زیر میلی متری با قطر داخلی 0.84 میلی متر را به سمت دیسک پلکسی گلاس با سطح لبه 90 درجه که در 1 سانتی متر زیر نقطه برخورد قرار داشت شلیک کردند.

این فرآیند منجر به تشکیل یک الگوی اختلال دایره‌ای شد که در آن مایع یک لایه نازک در اطراف نقطه برخورد ایجاد کرد. لایه نازک به طور ناگهانی در یک فاصله شعاعی مشخص ضخیم می شود و در نتیجه شکل دایره ای مشخصه پرش هیدرولیک ایجاد می شود.

برای تجسم این پدیده، گورلینگر تشبیهی ارائه کرد و گفت: «وقتی کسی شیر آب آشپزخانه را باز می‌کند و به پایین سینک در نزدیکی برخورد جت مایع نگاه می‌کند، می‌توانیم دیواره‌ای تقریباً دایره‌ای از مایع را ببینیم که دو را از هم جدا می‌کند. مناطق جداگانه

“منطقه داخلی، نزدیک جت، کم عمق است، اما جریان سریع است، در حالی که منطقه بیرونی بسیار عمیق تر است، اما جریان نیز بسیار کندتر است. به این دیوار مایع، پرش هیدرولیک دایره ای می گویند.”

سپس محققان پارامترهای آزمایشی، از جمله سرعت جریان (2 تا 3 میلی‌لیتر بر ثانیه) و شعاع دیسک (1 تا 6 سانتی‌متر) را تغییر دادند. آنها رفتارهای مختلفی را بر اساس این پارامترها مشاهده کردند، مانند سنبله های ساکن، حالت های گذرا همراه با نوسان، حالت های دوپایدار با نوسانات دوره ای و نوسانات دوره ای پایدار سیستماتیک.

تجزیه و تحلیل نشان داد که دوره سوسو زدن به سرعت جریان بستگی ندارد، اما یک وابستگی خطی به شعاع دیسک نشان می دهد.

جالب توجه است که برای شعاع دیسک بزرگتر از 5 سانتی متر، نقاط داده دو روند خطی متمایز با شیب های مختلف را نشان می دهد که نشان دهنده دو حالت متمایز نوسان است که محققان آن را حالت های بنیادی و هارمونیک می نامند.

تعامل بین پرش های هیدرولیک و امواج گرانشی

محققان یک مدل نظری برای توضیح نوسانات خود به خودی پایدار مشاهده شده ایجاد کردند که نشان می دهد این نوسانات از تعامل بین پرش هیدرولیکی و امواج گرانش سطحی ایجاد شده در حفره دیسک ناشی می شوند.

امواج گرانش سطحی در امتداد سطح مایع منتشر می شوند و در لبه پرش هیدرولیک دایره ای منعکس می شوند. این بازتاب به ایجاد و حفظ نوسانات کمک می کند. همچنین گفته می شود که این امواج زمانی که با یکی از حالت های حفره دیسک تراز شوند تقویت می شوند.

شایان ذکر است، مدل نظری محققان نه تنها نوسانات مشاهده شده را توضیح می دهد، بلکه قابلیت های پیش بینی نیز ارائه می دهد. او جفت شدن جت های دور را برای ایجاد نوسان در فازهای مخالف پیش بینی کرد، پدیده ای که توسط مشاهدات تجربی تایید شد.

در عمل، این بدان معنی است که جزر و مد موزون یک جریان آب می تواند بر نوسانات آب دیگری تأثیر بگذارد و یک رقص هماهنگ ایجاد کند که در آن قله ها و فرودهای یک جریان به طور معکوس با جریان دیگر مطابقت دارد.

گورلینگر بر اهمیت کار آنها تأکید کرد: «علیرغم تحقیقات گسترده در مورد این پدیده، پرش هیدرولیک دایره ای در اکثر موارد ثابت می ماند. با این حال، ما اولین نفری هستیم که نوسانات خودبه‌خودی پایدار پرش هیدرولیکی را گزارش می‌کنیم که در حالی که جت شوک پایدار است رخ می‌دهد. علاوه بر این، ما توانستیم مدلی بسازیم که رفتار این نوسانات را پیش‌بینی کند.”

کاربردهای بالقوه و کارهای آینده

با مدل‌سازی موفقیت‌آمیز نوسانات دوره‌ای ثابت، چارچوب نظری به درک عمیق‌تری از دینامیک پیچیده درگیر در پرش‌های هیدرولیکی کمک می‌کند.

این درک ممکن است پیامدهایی برای زمینه های مختلف از جمله دینامیک سیالات و کاربردهای مهندسی مرتبط داشته باشد.

“پرش های هیدرولیک در مناطقی که سطوح خنک کننده و تمیز کردن مورد نیاز است بسیار مورد توجه است. آنها همچنین ممکن است به چاپگرهای پرسرعت یا سه بعدی علاقه مند باشند.

گورلینگر معتقد است که آنها با این تحقیقات فقط سطح را خراش می دهند و توضیح می دهد که قصد دارند تحقیقات در این زمینه را ادامه دهند.

ما فقط تا حدی فیزیک غنی این پدیده جدید را بررسی کرده‌ایم. اثرات بسیاری از پارامترهای تجربی مانند خواص سیال یا هندسه زیرلایه باید بررسی شوند.

وی در پایان گفت: علاوه بر این، کار ما راه را برای مطالعه برهمکنش‌های پرش‌های نوسانی متعدد و به طور کلی برهم‌کنش‌های پرش‌های هیدرولیکی و امواج هموار می‌کند.

© 2023 Science X Network