Stoff- und Wärmeübertragung beim Strömen schwach viskoelastischer Flüssigkeiten um eine rotierende Kugel

Zusammenfassung

Die für schwach viskoelastische Flüssigkeiten beim Umströmen einer rotierenden Kugel von der Theorie vorausgesagte Aufteilung des Sekundärströmungsfeldes in zwei getrennte Zonen wird im einzelnen untersucht. Für Siliconöle eines mittleren Molgewichts findet man eine in weiten Grenzen von der Umdrehungsgeschwindigkeit unabhängige kugelförmige Grenzfläche, wohingegen bei Mischungen aus hoch- und niedermolekularen Siliconölen eine starke Drehzahlabhängigkeit beobachtet wird. Mit Polyisobutylenlösungen ist in einem gewissen Drehzahlbereich sogar eine Aufteilung indrei verschiedene Zonen zu realisieren.

Diese Strömungserscheinungen sind bei Flüssigkeiten genügend hoher Viskosität mit ausgeprägten Besonderheiten der Wärmeübertragung verknüpft. Mit einer schlierenoptischen Methode wird sichtbar gemacht, daß sich in der Grenzfläche zwischen den beiden Zonen ein starkes Temperaturgefälle aufbaut. Infolge der Temperaturabhängigkeit der viskoelastischen Eigenschaften erleidet die Zonenaufteilung eine allmähliche Deformation. Bei hinreichend hoher Drehzahl treten später sogar periodische Instabilitäten und schließlich thermoelastische Turbulenz auf.

Summary

The subject of this experimental investigation is the fact, as predicted by the theory, that for slightly visco-elastic fluids flowing around a rotating sphere the secondary flow field separates into two zones. For polysiloxanes of medium molecular weight, a sphere-like separating area is found which does not change in a wide range with rotational velocity. In contrast to this a pronounced dependence of speed is observed with mixtures of polysiloxanes of high and low molecular weights. With polyisobutylene solutions, separation into eventhree different zones can be realized within a certain range of speeds.

For fluids having sufficiently high viscosities, these flow phenomena are accompanied by pronounced peculiarities in heat transfer. With aid of a schlieren technique it is rendered visible that a strong temperature gradient exists in the neighbourhood of the separating area. As a consequence of the temperature dependence of viscoelastic properties, the partition into two zones slowly undergoes a deformation. At sufficiently high speeds of rotation, subsequently even periodic instabilities and finally thermo-elastic turbulence are observed.