ISSN:
1435-1528
Keywords:
Turbulent pipe flow
;
heterogeneous drag reduction
;
velocity profile
;
Reynolds shear stress
;
polymer solution
Source:
Springer Online Journal Archives 1860-2000
Topics:
Chemistry and Pharmacology
,
Physics
Description / Table of Contents:
Abstract Experiments in which a viscoelastic fluid is injected along the axis of a fully developed pipe flow of a Newtonian fluid are described. For relatively high polymer concentrations the injected polymer solution forms a thread, which remains intact down the entire length of the pipe. Under these conditions remarkable drag reduction is also observed, although the polymer has not diffused noticeably into the layers near the wall. The dependence of the local drag reduction along the pipe on the total polymer concentration in the pipe, the concentration of the injected polymer solution and the Reynolds number was investigated. Furthermore, velocity profiles, turbulence intensities and Reynolds shear stresses were measured and compared with those for the solvent and a premixed homogeneous polymer solution with the same effective concentration. The shape of the velocity profiles and the Reynolds shear stresses demonstrate that the structure of turbulence in the transition or buffer layer between the viscous sublayer and the turbulent core is markedly different in the injection experiments from that in a premixed homogeneous polymer solution. The size of this region is significantly larger than in a Newtonian fluid or a homogeneous polymer solution and the Reynolds shear stresses are drastically reduced. From details of the structure of the turbulence and the rheological properties of the injected polymer solution it may be concluded that the large-scale structures in the pipe are influenced by the polymer thread. It seems that their motion is restricted leading to a reduced transport of energy to the dissipating small eddies and thus to the occurrence of drag reduction.
Notes:
Zusammenfassung Es wird über Experimente berichtet, bei denen eine viskoelastische Flüssigkeit in die Achse einer ausgebildeten turbulenten Rohrströmung eines newtonschen Fluids injiziert wurde. Bei der Injektion von höher konzentrierter Polymerlösung tritt eine deutliche Widerstandsverminderung auch dann auf, wenn die Lösung als elastischer Faden im Kernbereich mitgeführt wird, d. h. das Polymer noch nicht merklich in die wandnahe Schicht hineindiffundiert ist. Es werden Ergebnisse über die Veränderung des Druckabfalls längs des Rohres in Abhängigkeit von der Gesamtkonzentration des Polymers im Rohr, der Konzentration im injizierten Faden und der Reynoldszahl mitgeteilt und diskutiert. Weiterhin werden die Profile der Hauptströmung, der Turbulenzintensitäten in radialer und axialer Richtung sowie der Reynoldsschen Schubspannungen bei solchen Injektionsexperimenten bestimmt und mit denjenigen des reinen Lösungsmittels sowie einer homogenen Polymerlösung von gleicher, über den Rohrquerschnitt gemittelter Polymerkonzentration verglichen. Der Verlauf des dimensionslosen Geschwindigkeitsprofils und der Reynoldschen Schubspannungen zeigt, daß der Übergangsbereich zwischen viskoser Unterschicht und turbulentem Kern bei der Injektion wesentlich anders strukturiert ist als beim Vorliegen von homogener Widerstandsverminderung. Er ist sowohl im Vergleich zu einer newtonschen Flüssigkeit als auch zu einer homogenen Polymerlösung deutlich vergrößert, und es findet in ihm eine drastische Reduzierung der Reynoldsschen Schubspannungen statt. Die beobachtete Struktur der turbulenten Strömung deutet in Verbindung mit den gemessenen viskoelastischen Eigenschaften der injizierten Polymerlösung darauf hin, daß die großen Turbulenzelemente durch den Polymerfaden in ihrer Bewegung behindert werden. Infolgedessen übertragen sie weniger Energie auf die die Dissipation bewirkenden kleinen Wirbel, wodurch sich eine Widerstandsverminderung ergibt.
Type of Medium:
Electronic Resource
URL:
http://dx.doi.org/10.1007/BF01329285
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