Die Wirkung von Polymerzusätzen auf die Turbulenzstruktur in der ebenen Mischungsschicht zweier Ströme

Zusammenfassung

Die für newtonsche Flüssigkeiten vielfach untersuchte ebene Mischungsschicht zweier Ströme bietet als einfachster Typ einer freien turbulenten Grenzschicht und wegen ihrer experimentell leichten Zugänglichkeit eine gute Möglichkeit, Aufschluß über die Beeinflussung der nicht wandgebundenen Turbulenz durch widerstandsvermindernde Zusätze zu gewinnen. Das gilt um so mehr, als hier eine augenfällige charakteristische Wirbelstruktur vorhanden ist, die von der überlagerten statistischen Feinturbulenz deutlich unterschieden werden kann.

Zur Untersuchung des Turbulenzfeldes wurde eine schon früher für räumlichzeitliche Korrelationsmessungen konzipierte Laser-Doppler-Anemometer-Anordnung eingesetzt, die nicht nur die Messung der Hauptstromprofile und der turbulenten Längs- und Querschwankungen sondern nach einer einfachen Modifikation auch die Bestimmung der Reynoldsschen Schubspannungen und der Kreuzkorrelationskoeffizienten gestattet.

Als Hauptergebnis wurde für Zugabemengen von 50 ppm des verwendeten Polymers (Separan AP30) in der ausgebildeten Mischungsschicht eine Verstärkung der Reynoldsschen Schubspannungen gefunden. Die hierdurch hervorgerufene im Vergleich zu Wasser wesentlich schnellere Breitenzunahme der Scherschicht läßt sich theoretisch erklären; sie wird auch an Freistrahlen beobachtet. Die ebenfalls festgestellte verringerte Mischungsschichtbreite im Anfangsbereich deutet in Verbindung mit der Verstärkung der turbulenten Längs- und der Abschwächung der Querschwankungen darauf hin, daß das Scherfeld der Hauptströmung durch Entknäuelung und Ausrichtung der Polymermoleküle eine Fließanisotropie erzeugt.

Die Vergrößerung des Ausbreitungswinkels deutet auf eine Intensivierung des „Entrainment“-Prozesses an den Rändern der Mischungsschicht hin, was durch eine Begünstigung der großen energietragenden Wirbel im Turbulenzspektrum erklärt werden kann. Auch die Anhebung der Korrelationskoeffizienten über dem gesamten betrachteten Abstandsbereich legt dies nahe. Eine vollständige Diskussion des hierbei vorliegenden Energieübertragungsmechanismus insbesondere unter Einbeziehung der die Dissipation vermittelnden Feinturbulenz ist jedoch nur anhand einer detaillierten Analyse der Mischungsschicht-Wirbelstruktur möglich, die in einer nachfolgenden Veröffentlichung erfolgen soll.

Die Verknüpfung des Grades der Widerstandsverminderung mit der Intensität der Reynoldsschen Schubspannungen schließlich läßt den unmittelbaren Einfluß der vom Lösungszustand abhängigen 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 is all the more so because of the presence of a characteristic vortex structure which can be clearly distinguished from the overlying statistical fine turbulence.

The turbulence field was investigated using an existent laser Doppler anemometer system that had been designed for space-time correlation measurements. This enabled measurements to be made of the mainstream velocity as well as of the longitudinal and transversal turbulent fluctuations and, after a simple modification, also of the Reynolds shear stresses and the cross correlation coefficients.

The main result of the addition of 50 ppm of the polymer used (Separan AP30) was found to be an intensification of the Reynolds shear stresses. The resulting substantially more rapid increase (than in water) in the thickness of the shear layer can be explained theoretically; such behaviour has also been observed in free jets. On the other hand, the reduced thickness of the mixing layer in the initial region and the associated enhancement of the longitudinal fluctuations and damping of the transversal fluctuations indicate that the main shear flow induces a flow anisotropy by uncoiling and aligning the polymer molecules.

The increase in the spreading angle suggests that the entrainment process at the edges of the mixing layer is intensified. This can be explained by the enhancement of the large energy carrying vortices in the turbulence spectrum. This is probably also the reason for the general increase in the correlation coefficients observed at all positions along the centreline of the flow field. However, a complete discussion of the energy transfer mechanism present here, in particular with inclusion of the fine turbulence responsible for dissipation, is only possible with the help of a detailed analysis of the vortex structure in the mixing layer. This is presented in a following paper.

The relation between the degree of drag reduction and the intensity of the Reynolds shear stresses enables the direct influence of the rheological properties of the fluid on the turbulent momentum transfer to be clearly recognized.