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

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.

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

This article contains a numerical simulation of polygonal hydraulic jump using the volumeoffluid (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 highspeed flows in some points of the solution domain generates corners in the jump shape leading to the formation of a polygonal hydraulic jump.