Transition to turbulence in pipe flow of Newtonian and Non Newtonian fluids

Abstract

Experimental investigations were carried out in pipe flow of Newtonian and Non Newtonian fluids. The investigations of Newtonian flow were focused on the origin of laminar turbulent intermittency in the flow. It was found that upon reduction of the Reynolds number starting from fully turbulent flows laminar regions appear randomly. Unlike reported for other shear flows there was no wavelength induced instability in pipe flow. The development of intermittent patterns and in particular the minimum spacing between turbulent puffs is shown as a consequence of an interaction between neighboring pus which has been identied. The pu interaction distance is found to decrease with increase in Re and it is in quantitative agreement with minimum spacing of plane Couette and Taylor Couette flow. In the second part of this thesis the transition to dilute polymer solutions has been investigated. Compared to the Newtonian case transition is delayed. At higher concentrations however Newtonian like transition disappears. Instead disordered motion sets in globally and onset of transition is independent of additional perturbation to the flow. This new type of instability , a combined effect of elastic and inertial eects, termed as elasto inertial instability sets in and ultimately results in the asymptotic state of maximum drag reduction (MDR). Most strikingly disordered motion is observed at much lower Re than Newtonian turbulence.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung des Turbulenzüubergangs Newtonscher und nicht Newtonscher Flüssigkeiten in der Rohrströmung. Die Untersuchung Newtonscher Fluide konzentrierte sich auf den Ursprung laminar turbulent Intermittenter Strömungen. Es konnte gezeigt werden, dass als folge einer Reynoldszahlreduzierung, ausgfehend von einer voll turbulenten Strömung, laminare Regionen zufällig erscheinen. Dies steht im Gegensatz zu intermittenten Strömungmustern in anderen Scherströmungen für die eine feste Wellenlänge für solche Muster vorhergesagt wurde. Wir zeigen dass in der Rohrströmung intermittente Muster keine feste Wellenlänge haben stattdessen kann man einen minimalabstand denieren der eine Folge der puff-Interaktion ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Polymerlösungen untersucht und hier wurde für niedrige Konzentrationen eine Verzögerung des Turbulenzübergangs beobachtet. Für höhere Konzentrationen trat überraschenderweise ein qualitativ anderer Übergang auf. Im Gegensatz zu Newtonschen Strömungen trat hier Turbulenz global und ohne zusätzliche äußere Störungen auf. Diese Intabilität tritt als Folge von Trägheits und elastischen Kräften auf. Die Vermessung der Reibungsbeiwerte zeigt dass die für Polymerlösungen wohlbekannte maximale Reibungsreduzierung eine Eigenschaft dieses neuen Turbulenzsutandes ist. Zudem kann diese Art der Turbulenz.