Die Wirkung von Polymerzus�tzen auf die Turbulenzstruktur in der ebenen Mischungsschicht zweier Str�me

Abstract

Zusammenfassung: Die ffir newtonsche Flfissigkeiten vielfach untersuchte ebene Mischungsschicht zweier Str6me bietet als einfachster Typ einer freien turbulenten Grenzschicht und wegen ihrer experimentell leichten Zugiinglichkeit eine gute M6glichkeit, AufschluB fiber die Beeinflussung der nicht wandgebundenen Turbulenz durch widerstandsvermindernde Zus~itze zu gewinnen. Das gilt um so mehr, als hier eine augenfNlige charakteristische Wirbelstruktur vorhanden ist, die von der fiberlagerten statistischen Feinturbulenz deutlich unterschieden werden kann.Zur Untersuchung des Turbulenzfeldes wurde eine schon frfiher ffir r~iumlichzeitliche Korrelationsmessungen konzipierte Laser-Doppler-Anemometer-Anordhung eingesetzt, die nicht nur die Messung der Hauptstromprofile und der turbulenten L~ings-und Querschwankungen sondern nach einer einfachen Modifikation auch die Bestimmung der Reynoldsschen Schubspannungen und der Kreuzkorrelationskoeffizienten gestattet.Als Hauptergebnis wurde ffir Zugabemengen von 50 ppm des verwendeten Polymers (Separan AP30) in der ausgebildeten Mischungsschicht eine Verst~irkung der Reynoldsschen Schubspannungen gefunden. Die hierdurch hervorgerufene im Vergleich zu Wasser wesentlich schnellere Breitenzunahme der Scherschicht l~igt sich theoretisch erkl~iren; sic wird auch an Freistrahlen beobachtet. Die ebenfalls festgestellte verringerte Mischungsschichtbreite im Anfangsbereich deutet in Verbindung mit der Verstgrkung der turbulenten L~ings-und der Abschw~ichung der Querschwankungen darauf hin, dab das Scherfeld der Hauptstr6mung durch Ent-kn~iuelung und Ausrichtung der Polymermolekfile eine Fliei3anisotropie erzeugt.Die Vergr6Berung des Ausbreitungswinkels deutet auf eine Intensivierung des ,,Entrainment"-Prozesses an den R~indern der Mischungsschicht hin, was durch eine Begfinstigung der groBen energietragenden Wirbel im Turbulenzspektrum erklgrt werden kann. Auch die Anhebung der Korrelationskoeffizienten fiber dem gesamten betrachteten Abstandsbereich legt dies nahe. Eine vollst~indige Diskussion des hierbei vorliegenden Energietibertragungsmechanismus insbesondere unter Einbeziehung der die Dissipation vermittelnden Feinturbulenz ist jedoch nur anhand einer detaillierten Analyse der Mischungsschicht-Wirbelstruktur m6glich, die in einer nachfolgenden Ver6ffentlichung erfolgen soll.Die Verknfipfung des Grades der Widerstandsverminderung mit der Intensit~it der Reynoldsschen Schubspannungen schlieBlich lgBt den unmittelbaren EinfluB der vom L6sungszustand abhiingigen rheologischen Eigenschaften auf den turbulenten Impulsaustausch deutlich erkennen.Abstract: The plane mixing layer formed between two parallel streams moving with different velocities is one of the simplest types of free turbulent boundary layers and has frequently been studied for Newtonian fluids. As a result of this and because of its good experimental accessibility this type of flow provides a good opportunity for obtaining information about the influence of drag reducing additives on the structure of free turbulence. This ...

Mixing layer instability and vorticity amplification in a creeping viscoelastic flow

“…A general conclusion is drawn from studies prior to 1990's that no pure elastic instabilities exist in the parallel shear viscoelastic flows [8]. The first stability analysis of a viscoelastic fluid planar mixing layer, formed by two fluid streams moving with equal speeds in opposite directions, shows that the elastic stress has a stabilizing effect for Re 1 and W i 1 [9], in agreement with the results of early experimental studies [10,11]. In an insightful theoretical study, Hinch considered an elastic membrane between two counter-propagating Newtonian fluid streams, similar to two-fluid Newtonian streams with surface tension at the interface (see appendix in Ref.…”