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Turbulente Strömung mit beigefügten Polymeren

Die Art und Weise, wie Fluide in einen turbulenten Zustand eintreten, ist markant und hat erhebliche biologische, ökologische und technische Folgen. Es ist von großer Wichtigkeit, hier Vorhersagen treffen und steuernd eingreifen zu können.
Turbulente Strömung mit beigefügten Polymeren
Die meisten zukunftsweisenden Verfahren zur Erforschung von Übergängen haben sich auf die Entstehung von Turbulenzen in newtonschen bzw. einfachen Fluiden konzentriert. Von diesen Bemühungen ausgenommen waren komplexe und nichtnewtonsche Fluide, die das Herzstück der pharmazeutischen Industrie sowie von Öl-, Gas-, Kunststoff- und Papierherstellungsverfahren bilden. Einem Fluid hinzugegebene lange Polymermoleküle versetzen es in einen elastischen Zustand und überdies in die Lage, Spannungen zu speichern, die von der Vorgeschichte der Verformung abhängen, was dem Fluid eine Speicherfähigkeit verleiht.

Das Projekt NNJETS (Stability of non-Newtonian jets and implications for the onset of turbulence) setzte direkte numerische Simulationen zur Untersuchung der sekundären Instabilität von Streaks und des Übergangs zu Turbulenz bei viskoelastischer Couette-Strömung ein. Die Viskoelastizität wurde unter Einsatz der FENE-P-Zustandsgleichungen modelliert, und sowohl die Polymerkonzentration als auch die Weissenberg-Zahl wurden variiert, um deren Wirkung auf die Übergänge bei moderater Reynolds-Zahl, Re=400, zu bewerten.

In nichtlinearen Simulationen der Couette-Strömung in Reaktion auf einen Wirbel in Strömungsrichtung ermittelte man Basis-Streaks. Das Anwachsen von waltenähnlichen, in Strömungsrichtung weitgehend konstante Strukturen (Streaks) in newtonschen wie auch nichtnewtonschen Strömungen ist in der Hauptsache auf die Längsvortizität zurückzuführen. Das durch die Polymere entlang der Längsrichtung ausgeübte Drehmoment ist jedoch der Vortizität entgegengesetzt, was das Streak-Wachstum bei großer Weissenberg-Zahl eindämmt.

Bei jeder Streak-Amplitude, an der Interesse besteht, wurden erzwungene harmonische Schwingungen eingeführt, um die sekundäre Instabilität und den Zusammenbruch der Turbulenz auszulösen. Bei niedriger Weissenberg-Zahl nahm die kritische Amplitude dieser erzwungenen Schwingung ab, während sie bei hoher Weissenberg-Zahl zunahm. Bei geringen Streak-Amplituden steigt die kritische Amplitude deutlich stärker als bei großen Streak-Amplituden.

Dieses Verhalten erklärt sich durch die zwei verschiedenen Mechanismen der Auslösung des Übergangs zu Turbulenzen, die bei geringen und hohen Amplituden aktiv sind. Bei kleinen Amplituden wird der Übergang von einem zweistufigen Mechanismus ausgelöst. Die Streaks werden anfangs durch die gewundene Störung verzerrt, aber schon nach kurzer Zeit erreichen sie eine maximale Energie und kehren in einen nahezu stabilen Zustand zurück. Sie erreichen im Endeffekt eine höhere Amplitude und brechen in Form von Turbulenzen zusammen. Normale Vortizität spielt bei diesem zweiten Anwachsen und dem Zusammenbruch eine fundamentale Rolle.

Bei großer Weissenberg-Zahl ist das Polymer-Drehmoment entlang der Normalrichtung entgegengesetzt der Vortizität, was den Übergang behindert. Mit erhöhter Polymerkonzentration zeigte sich bei jeder analysierten Streak-Amplitude eine deutliche Abnahme der kritischen Amplitude der erzwungenen Schwingung.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

turbulente Strömung, nichtnewtonsches Fluid, NNJETS, Turbulenz, Couette-Strömung, Streak-Amplitude
Datensatznummer: 188689 / Zuletzt geändert am: 2016-10-18
Bereich: Industrielle Technologien
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