Das Stabilitätsverhalten verdünnter Lösungen sehr langkettiger Hochpolymerer in der Couette-Strömung

Zusammenfassung

Nach einem kurzen Überblick über die Beziehungen zwischen Widerstandsverminderung (drag reduction) und Laminarisierung bei verdünnten Lösungen sehr langkettiger Polymerer in einer Rohrströmung · wird auf die bisherigen Untersuchungen der Stabilität solcher Lösungen in der Couette-Strömung eingegangen, und es werden die noch bestehenden Unklarheiten und Widersprüche aufgezeigt. Anschließend werden die zur Durchführung der eigenen Untersuchungen konstruierte Couette-Apparatur sowie die Methoden der Temperierung und der Sichtbarmachung der Strömung beschrieben.

Die Versuchsflüssigkeiten — Polyacrylamid (Separan AP 30)-Lösungen in Wasser und verschiedenen Glycerin-Wasser-Mischungen mit Konzentrationen zwischen 5 und 1000 ppm — werden auf den Einfluß des pH-Werts, des biologischen und mechanischen Abbaus und der Alterungseinflüsse untersucht, und es wird eine Standard-Ansatzmethode entwickelt. Die Fließkurven dieser Lösungen werden über ca. 6 Zehnerpotenzen der Schergeschwindigkeit bestimmt und daraus die Staudinger-Funktion (reduced viscosity) abgeleitet.

Bei diesen Lösungen werden vier verschiedene Typen von Instabilitäten beobachtet: spiralartige, schwingende, stationäre Instabilitäten und Turbulenz. Die zugeordneten kritischen Reynolds-Zahlen werden in Abhängigkeit von der Polymerkonzentration und vom Alter der Lösungen bestimmt. Man beobachtet zumeist eine mit wachsender Polymerkonzentration erst zunehmende, dann aber wieder abnehmende Stabilisierung, die schließlich sogar in eine Destabilisierung übergeht; bei den spiralartigen Instabilitäten wird von Anfang an Destabilisierung gefunden. Für die stationären Instabilitäten vom Zellular-Typ werden außerdem die Längen der Zellen gemessen und dabei eine mit steigender Konzentration zunehmende Länge festgestellt. Diese Effekte werden aus der Struktur der Polymerlösungen zu deuten versucht, mit den in der Rohrströmung beobachteten Phänomenen in Zusammenhang gebracht und mit den Ergebnissen der früheren Untersuchungen verglichen.

Summary

After a short review of the relations between drag reduction and flow laminarization in dilute solutions of long chain polymers in pipe flow the present status of research of the stability of such solutions in Couette flow is outlined. Existing discrepancies and contradictions are pointed out. Then the Couette apparatus used for the measurements is described together with the methods for temperature control and flow visualization.

The test solutions — polyacrylamide (Separan AP 30)-solutions in water and various glycerol-water mixtures in concentrations from 5 to 1000 ppm — are investigated with respect to pH-value effects and for biological and mechanical degradation. A standard procedure for the preparation of the solutions is developed. The flow curves of these solutions are measured in a range of about 6 decades of the rate of shear. The reduced viscosity (Staudinger function) is calculated therefrom.

These solutions show four different types of instabilities: spiral-type, oscillatory, steady instabilities and turbulence. The critical Reynolds-number for each type is determined as a function of polymer concentration and the age of the solution.

Normally one observes first an increase and then a decrease in the stabilization effect. Increasing the concentration further a destabilization is sometimes found. Spiral-type instabilities always show destabilization. For instabilities of the cellular type with increasing solution concentration an increasing length of the cells is measured. An attempt is made to explain these effects by the structural properties of the polymer solutions. These phenomena are related to phenomena observed in pipe flow experiments and compared with earlier observations.