Физики объясняют колебания круговых гидравлических прыжков
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, физики изучают, как небольшие струи воды могут создавать стабильные периодические колебания на твердом диске, раскрывая связь между этими движениями и волнами, которые они генерируют, и дают представление о динамическом взаимодействии поведения жидкости. Учёные создали субмиллиметровую струю воды с внутренним диаметром 0,84 мм, направленную на диск из плексигласа с поверхностью с краями под углом 90 градусов, расположенный на 1 см ниже точки удара. Этот процесс привел к образованию круговой неоднородности, где жидкость образовала тонкую пленку вокруг точки удара. Тонкая пленка внезапно утолщалась на определенном радиальном расстоянии, создавая характерную круглую форму гидравлического скачка.
На этом изображении представлен круговой гидравлический прыжок, возникающий в результате воздействия струи воды шириной 0,9 мм на диск из оргстекла. Скорость потока составляет 2,1 мл/с.
Фото: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.194001.
Гидравлический скачок — это явление, которое возникает, когда быстро текущая жидкость внезапно сталкивается с более медленно текущей или застойной областью. Этот резкий переход приводит к изменению характеристик потока, вызывая образование видимого скачка или скачка высоты жидкости.
В этом процессе кинетическая энергия быстротекущей жидкости преобразуется в потенциальную энергию, что приводит к изменению скорости и глубины потока. Это явление обычно наблюдается в различных условиях, например, когда струя жидкости ударяется о поверхность, например, в реках или ниже по течению от плотин.
Теперь исследователи из Франции исследовали сценарий, при котором круговой гидравлический прыжок испытывает устойчивые периодические колебания на твердом диске.
Объясняя мотивацию исследования, ведущий автор Орельен Герлингер рассказал Phys.org: «Гидравлический прыжок — это повсеместное явление, которое кажется простым. Однако оно противоречит здравому смыслу, поскольку природа предпочитает плавные переходы резким.
«Следовательно, гидравлический прыжок сложно моделировать, несмотря на то, что он изучается со времен да Винчи. Поскольку многие фундаментальные аспекты еще предстоит понять или даже открыть, гидравлический прыжок остается активной областью исследований для нашей команды».
Круговые гидравлические прыжки и водные струи
Экспериментальная установка в исследовании заключалась в создании круговых гидравлических прыжков на твердом диске с помощью субмиллиметровой струи воды.
Исследователи инициировали субмиллиметровую струю воды с внутренним диаметром 0,84 мм, направленную на диск из плексигласа с поверхностью с краями под углом 90 градусов, расположенный на 1 см ниже точки удара.
Этот процесс привел к образованию круговой неоднородности, где жидкость образовала тонкую пленку вокруг точки удара. Тонкая пленка внезапно утолщалась на определенном радиальном расстоянии, создавая характерную круглую форму гидравлического скачка.
Чтобы помочь визуализировать это явление, Герлингер привел аналогию, заявив: «Когда кто-то открывает кран на кухне и смотрит на дно раковины рядом с местом воздействия струи жидкости, мы можем наблюдать примерно круглую жидкостную стену, разделяющую две отдельные области. .
«Внутренняя область рядом со струей неглубокая, но поток быстрый, тогда как внешняя область намного глубже, но поток также намного медленнее. Эта жидкая стенка называется круговым гидравлическим прыжком».
Затем исследователи варьировали параметры эксперимента, включая скорость потока (от 2 до 3 мл/с) и радиус диска (от 1 до 6 см). Они наблюдали различное поведение, основанное на этих параметрах, такое как стационарные скачки, переходные состояния с колебаниями, бистабильные состояния с периодическими колебаниями и систематические стабильные периодические колебания.
Анализ показал, что период колебаний не зависел от скорости потока, а имел линейную зависимость от радиуса диска.
Интересно, что для радиусов дисков более 5 см точки данных демонстрировали две четкие линейные тенденции с разными наклонами, что указывает на две различные моды колебаний, которые исследователи называют фундаментальными и гармоническими режимами.
Взаимодействие гидравлических прыжков и гравитационных волн
Исследователи разработали теоретическую модель для объяснения наблюдаемых устойчивых спонтанных колебаний, предполагая, что они возникают из-за взаимодействия гидравлического прыжка и поверхностных гравитационных волн, образующихся внутри полости диска.
Поверхностные гравитационные волны распространяются вдоль поверхности жидкости и отражаются от края кругового гидравлического скачка. Это отражение способствует установлению и поддержанию колебаний. Более того, говорят, что эти волны усиливаются, когда они совпадают с одной из мод полости диска.
Примечательно, что теоретическая модель исследователей не только объясняет наблюдаемые колебания, но и обеспечивает возможности прогнозирования. Он предполагал, что соединение далеких струй вызовет колебания в противоположных фазах, и это явление было подтверждено экспериментальными наблюдениями.
На практике это означает, что ритмичные приливы и отливы одной струи воды могут влиять на колебания другой, создавая синхронный танец, в котором пики и спады одной струи обратно соответствуют таковым другой.
Герлингер подчеркнул важность их работы: «Несмотря на обширные исследования этого явления, было обнаружено, что круговой гидравлический прыжок в большинстве случаев остается неподвижным. является устойчивым. Кроме того, нам удалось построить модель, которая предсказывает поведение этих колебаний».
Потенциальные применения и будущая работа
Успешно моделируя устойчивые периодические колебания, теоретическая основа способствует более глубокому пониманию сложной динамики, связанной с гидравлическими прыжками.
Это понимание может иметь значение для различных областей, включая гидродинамику и связанные с ней инженерные приложения.
«Гидравлические прыжки представляют большой интерес в областях, где необходимы охлаждение и очистка поверхностей. Они также могут проявить интерес к высокоскоростным или 3D-принтерам», — пояснил Герлингер.
Герлингер считает, что это исследование лишь поверхностное, и пояснил, что планирует продолжить исследования в этой области.
«Мы лишь частично изучили богатую физику этого нового явления. Еще предстоит изучить влияние многих экспериментальных параметров, таких как свойства жидкости или геометрия подложки.
«Более того, наша работа открывает путь для изучения взаимодействия между множественными колеблющимися прыжками и взаимодействия между гидравлическими прыжками и волнами в целом», — заключил он.
