Bryd stilheden:Forskere observerer og forklarer oscillationerne af cirkulære hydrauliske hop

I en ny undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters , undersøger forskere, hvordan små vandstråler kan skabe stabile periodiske svingninger på en solid skive, afdække en forbindelse mellem disse bevægelser og de bølger, de genererer, og give indsigt i det dynamiske samspil mellem væskeadfærd.

Et hydraulisk hop er et fænomen, der opstår, når en hurtigtstrømmende væske pludselig støder på et langsommere strømmende eller stillestående område. Denne pludselige overgang resulterer i en ændring i flowets karakteristika, hvilket forårsager dannelsen af ​​et synligt spring eller stigning i væskens højde.

I denne proces omdannes den hurtigstrømmende væskes kinetiske energi til potentiel energi, hvilket fører til ændringer i hastighed og strømningsdybde. Dette fænomen ses almindeligvis i forskellige omgivelser, såsom når en væskestråle rammer en overflade, for eksempel i floder eller nedstrøms fra dæmninger.

Nu har forskere fra Frankrig undersøgt et scenarie, hvor et cirkulært hydraulisk hop gennemgår stabile periodiske svingninger på en solid skive.

For at forklare holdets motivation bag undersøgelsen fortalte hovedforfatter Aurélien Goerlinger til Phys.org:"Det hydrauliske spring er et allestedsnærværende fænomen, der virker simpelt. Det er dog kontraintuitivt, da naturen foretrækker jævne overgange frem for pludselige overgange.

"Derfor er det hydrauliske spring vanskeligt at modellere, på trods af at det er blevet studeret siden Da Vincis tid. Da mange grundlæggende aspekter stadig mangler at blive forstået eller endda opdaget, forbliver det hydrauliske spring et aktivt studieområde for vores team."

Cirkulære hydrauliske hop og vandstråler

Den eksperimentelle opsætning i undersøgelsen involverede generering af cirkulære hydrauliske spring på en solid skive ved hjælp af en submillimeter vandstråle.

Forskerne påbegyndte en submillimeter vandstråle, med en indre diameter på 0,84 mm, rettet mod en plexiglasskive med en 90-graders vinkelkantet overflade placeret 1 cm under anslagspunktet.

Denne proces resulterede i dannelsen af ​​et cirkulært mønster af diskontinuitet, hvor væsken etablerede en tynd film omkring anslagspunktet. Den tynde film blev pludselig tykkere i en vis radial afstand, hvilket gav anledning til den karakteristiske cirkulære form af det hydrauliske spring.

For at hjælpe med at visualisere dette fænomen fremlagde Goerlinger en analogi, der sagde:"Når man åbner hanen i deres køkken og ser på bunden af ​​vasken nær væskestrålens påvirkning, kan vi observere en nogenlunde cirkulær væskevæg, der adskiller to adskilte områder .

"Det indre område, nær strålen, er lavvandet, men flowet er hurtigt, hvorimod det ydre område er meget dybere, men flowet er også meget langsommere. Denne væskevæg kaldes et cirkulært hydraulisk spring."

Forskerne varierede derefter eksperimentelle parametre, herunder strømningshastigheden (2 til 3 mL/s) og skivens radius (1 til 6 cm). De observerede forskellig adfærd baseret på disse parametre, såsom stationære spring, forbigående tilstande med svingninger, bistabile tilstande med periodiske svingninger og systematiske stabile periodiske svingninger.

Analysen afslørede, at oscillationsperioden ikke afhang af strømningshastigheden, men viste en lineær afhængighed af skivens radius.

Interessant nok udviste datapunkterne for diskradius mere end 5 cm to distinkte lineære tendenser med forskellige hældninger, hvilket indikerer to distinkte oscillationstilstande, som forskerne omtaler som fundamentale og harmoniske tilstande.

Interaktion mellem hydrauliske hop og tyngdekraftsbølger

Forskerne udviklede en teoretisk model til at forklare de observerede stabile spontane svingninger, hvilket tyder på, at det stammer fra interaktionen mellem det hydrauliske spring og overfladetyngdekraftsbølger dannet i skivehulrummet.

Overfladetyngdebølger forplanter sig langs væskens overflade og reflekteres ved kanten af ​​det cirkulære hydrauliske spring. Denne refleksion bidrager til etablering og vedligeholdelse af svingningerne. Ydermere siges disse bølger at blive forstærket, når de flugter med en af ​​diskkavitetstilstandene.

Bemærkelsesværdigt forklarer forskernes teoretiske model ikke kun de observerede svingninger, men giver også forudsigelsesevner. Den forudså koblingen af ​​fjerne jetfly for at inducere oscillationer i modsatte faser, et fænomen bekræftet gennem eksperimentel observation.

Rent praktisk betyder det, at den ene vandstråles rytmiske ebbe og strøm kan påvirke den andens svingninger og skabe en synkroniseret dans, hvor toppene og dalene i den ene stråle svarer omvendt til den andens.

Goerlinger fremhævede betydningen af ​​deres arbejde:"På trods af omfattende forskning i dette fænomen har det cirkulære hydrauliske spring vist sig at forblive stationært i de fleste tilfælde. Men vores er den første til at rapportere stabile spontane svingninger af det hydrauliske spring, der forekommer, mens den stødende jetstråle er stabil. Derudover lykkedes det os at bygge en model, der forudsiger adfærden af ​​disse svingninger."

Potentielle applikationer og fremtidigt arbejde

Ved succesfuldt at modellere de stabile periodiske svingninger bidrager den teoretiske ramme til en dybere forståelse af den komplekse dynamik, der er involveret i hydrauliske hop.

Denne forståelse kan have implikationer for forskellige områder, herunder væskedynamik og relaterede tekniske applikationer.

"Hydrauliske hop er af stor interesse i områder, hvor der er behov for køling og rengøring af overflader. Det kan også finde sin interesse i højhastigheds- eller 3D-printere," forklarede Goerlinger.

Goerlinger mener, at de kun kradser i overfladen med denne forskning og forklarede, at de planlægger at fortsætte forskningen på dette område.

"Vi har kun delvist udforsket den rige fysik af dette nye fænomen. Effekter af mange eksperimentelle parametre mangler at blive undersøgt, såsom væskeegenskaber eller substratgeometri.

"Desuden baner vores arbejde vejen for studiet af interaktionerne mellem flere oscillerende spring og interaktionerne mellem hydrauliske spring og bølger generelt," konkluderede han.

Flere oplysninger: Aurélien Goerlinger et al., Oscillations and Cavity Modes in the Circular Hydraulic Jump, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.194001

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network