بررسي عددي چگونگي تشكيل پرش هيدروليكي چندضلعي و ساختار جريان سيال در آن

Numerical Investigation of Polygonal Hydraulic Jump Formation Mechanism and Its Flow Structure

در اين پژوهش به شبيه سازي عددي سه بعدي پديده پرش هيدروليكي چندضلعي با استفاده از روش عددي حجم سيال پرداخته شده است. در هنگام برخورد يك جت سيال با سطح مشاهده مي شود كه يك پرش هيدروليكي شعاعي در اطراف محل برخورد رخ مي دهد. در سيالات با لزجت پايين(مثل آب) شكل اين پرش به صورت دايروي است و در سيالات با لزجت بالا(مثل اتيلن گليكول) يك ساختار چندضلعي در هنگام پرش هيدروليكي رخ مي دهد كه اين ساختار ناشي از وجود امواج مكانيكي در اطراف ناحيه برخورد سيال با سطح مي باشد. نتايج شبيه سازي عددي با نتايج تجربي محققان پيشين مقايسه شده است كه تطابق خوبي از نظر كيفي(شكل و ساختار پرش هيدروليكي ايجاد شده) و كمي(شعاع پرش هيدروليكي) در آن ديده مي شود. در نهايت بر اساس شبيه سازي عددي مشاهده گرديد كه ابتدا پرش هيدروليكي به صورت دايروي گسترش يافته و پس از برخورد موج حاصل از پرش با موانع پايين دست جريان، به مرور شكل چندضلعي در پرش ايجاد شده و به حالت پايدار مي رسد. همچنين خطوط جريان در اين پديده نشان مي دهد كه وجود جريان هاي با سرعت بالا در نقاطي از حوزه حل موجب تشكيل گوشه هايي در پرش هيدروليكي شده و پرش چندضلعي ايجاد مي گردد.

This article contains a numerical simulation of polygonal hydraulic jump using the volume-of-fluid (VOF) method. This phenomenon occurs when a circular jet of a high viscous liquid impinges perpendicularly onto a flat surface. In fact, when a liquid jet hits a surface, a circular hydraulic jump appears around the stagnation point. In a fluid with low viscosity (such as water), the shape of this jump is circular and in a high viscosity fluid (e.g., ethylene glycol), a polygonal structure forms. This structure is due to the presence of mechanical waves around the collision area, which is considered in the numerical method. In this paper, the results of the numerical model are validated with available experimental studies for the shape and structure of the generated hydraulic jump and its radius. Finally, based on numerical results, it is observed that a circular hydraulic jump spreads at the beginning, and after its corresponding wave collides with downstream obstacles, a polygonal shape is gradually formed and stabilized. In addition, the streamlines show that the existing of high-speed flows in some points of the solution domain generates corners in the jump shape leading to the formation of a polygonal hydraulic jump.