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The turbulent very wide-gap Taylor-Couette flow : experimental investigation

Die turbulente Taylor-Couette-Strömung mit sehr weitem Spalt : experimentelle Untersuchung

  • The Taylor-Couette (TC) flow, the flow confined between two concentric independently rotating cylinders, is used as a perfect model to investigate shear flow over concave surfaces and one of the paradigmatic systems of the physics of fluids. In this thesis, an experimental investigation of the turbulent TC flow in a very wide gap geometry with a radius ratio 𝜂 = 0.1 is performed. The physical and dynamic behavior of the flow is studied in a geometry that has rarely been investigated before the current study, which makes this study unique. The study aims to understand the effect of curvature on the TC flow, particularly in cases where the circumferential length of the inner cylinder is smaller than the gap width. The flow is studied in the different rotation regimes: counter-rotating, co-rotating, and purely inner cylinder rotating regimes up to shear Reynolds numbers Re_s≤ 150000. The flow field has been qualitatively studied using visualization techniques. By probing the different flow parameters, familiar coherent TC flow patternsThe Taylor-Couette (TC) flow, the flow confined between two concentric independently rotating cylinders, is used as a perfect model to investigate shear flow over concave surfaces and one of the paradigmatic systems of the physics of fluids. In this thesis, an experimental investigation of the turbulent TC flow in a very wide gap geometry with a radius ratio 𝜂 = 0.1 is performed. The physical and dynamic behavior of the flow is studied in a geometry that has rarely been investigated before the current study, which makes this study unique. The study aims to understand the effect of curvature on the TC flow, particularly in cases where the circumferential length of the inner cylinder is smaller than the gap width. The flow is studied in the different rotation regimes: counter-rotating, co-rotating, and purely inner cylinder rotating regimes up to shear Reynolds numbers Re_s≤ 150000. The flow field has been qualitatively studied using visualization techniques. By probing the different flow parameters, familiar coherent TC flow patterns appear, in addition to newly observed patterns we assume only exist for very wide gap TC flows. For a more detailed quantitative study, a time-resolved velocity field measurement has been conducted using the High-speed Particle Image Velocimetry technique through the system end plate. The radial and azimuthal velocity components in the 2D horizontal plane are measured at different axial positions, in order to scan the axial variance of the flow. The recorded flow field is used to compute the angular momentum transport in terms of the quasi-Nusselt number (Nu_ω). The results show a maximum of Nu_ω for low counter-rotating rates of −0.011 ≤ μ_max ≤ −0.0077, which is associated with large-scale structures that span the entire gap. Moreover, the Nu_ω decreases for counter-rotation rates higher than μ_max until it reaches a minimum value and then tends to increase again for higher counter-rotation cases. The space-time behavior of the turbulent flow field for the high counter-rotating cases shows the existence of newly observed patterns next to the outer cylinder wall that propagates inward, enhancing the angular momentum transport and resulting in a second maximum in transport for higher counter-rotating rates. For the pure rotating inner cylinder, the momentum transport scaling with the shear rate Nu_ω ∼ Re_s^α has been studied, and it shows a transition in scaling to 𝛼 = −0.76 for all flows with Re_(s )≥ 25000. This new scaling reveals the transition of the flow from the classical turbulent regime to the ultimate one, where this transition is accompanied by a clear change in the flow behavior. Moreover, the flow in the co-rotating regime and particularly in the centrifugal stable regime (𝜇 > +0.01) is investigated. The Velocity measurements show the presence of disturbed flow near the inner cylinder, where the measured velocity profiles showed a clear deviation from those predicted by laminar flow for flows up to 𝜇 = +0.04.show moreshow less
  • Die Taylor-Couette-Strömung (TC), die Strömung zwischen zwei konzentrischen, unabhängig voneinander rotierenden Zylindern, wird als perfektes Modell zur Untersuchung von Scherströmungen über konkaven Oberflächen verwendet und ist eines der paradigmatischen Systeme der Fluidphysik. In dieser Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung der turbulenten TC-Strömung in einer sehr breiten Spaltgeometrie mit einem Radiusverhältnis 𝜂 = 0,1 durchgeführt. Das physikalische und dynamische Verhalten der Strömung wird in einer Geometrie untersucht, die vor der vorliegenden Studie kaum untersucht wurde, was diese Studie einzigartig macht. Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen der Krümmung auf die TC-Strömung zu verstehen, insbesondere in Fällen, in denen die Umfangslänge des inneren Zylinders kleiner ist als die Spaltbreite. Die Strömung wird in den verschiedenen Rotationsregimen untersucht: gegenläufige, mitläufige und reine Innenzylinder-Rotationsregime bis zu Scher-Reynoldszahlen Re_s≤ 150000. Das Strömungsfeld wurde mit Hilfe vonDie Taylor-Couette-Strömung (TC), die Strömung zwischen zwei konzentrischen, unabhängig voneinander rotierenden Zylindern, wird als perfektes Modell zur Untersuchung von Scherströmungen über konkaven Oberflächen verwendet und ist eines der paradigmatischen Systeme der Fluidphysik. In dieser Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung der turbulenten TC-Strömung in einer sehr breiten Spaltgeometrie mit einem Radiusverhältnis 𝜂 = 0,1 durchgeführt. Das physikalische und dynamische Verhalten der Strömung wird in einer Geometrie untersucht, die vor der vorliegenden Studie kaum untersucht wurde, was diese Studie einzigartig macht. Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen der Krümmung auf die TC-Strömung zu verstehen, insbesondere in Fällen, in denen die Umfangslänge des inneren Zylinders kleiner ist als die Spaltbreite. Die Strömung wird in den verschiedenen Rotationsregimen untersucht: gegenläufige, mitläufige und reine Innenzylinder-Rotationsregime bis zu Scher-Reynoldszahlen Re_s≤ 150000. Das Strömungsfeld wurde mit Hilfe von Visualisierungstechniken qualitativ untersucht. Bei der Untersuchung der verschiedenen Strömungsparameter zeigen sich bekannte kohärente TC-Strömungsmuster sowie neu beobachtete Muster, von denen wir annehmen, dass sie nur bei TC-Strömungen mit sehr großem Spalt existieren. Für eine detailliertere quantitative Untersuchung wurde eine zeitaufgelöste Messung des Geschwindigkeitsfeldes mit der Hochgeschwindigkeits-Partikel-Image-Velocimetry-Technik durch die Endplatte des Systems durchgeführt. Die radialen und azimutalen Geschwindigkeitskomponenten in der horizontalen 2D-Ebene werden an verschiedenen axialen Positionen gemessen, um die axiale Varianz der Strömung zu erfassen. Das aufgezeichnete Strömungsfeld wird verwendet, um den Drehimpulstransport in Form der Quasi-Nusselt-Zahl (Nu_ω) zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen ein Maximum der Nu_ω für niedrige gegenläufige Raten von -0,011 ≤ μ_max ≤ -0,0077, was mit großräumigen Strukturen verbunden ist, die den gesamten Spalt überspannen. Darüber hinaus nimmt Nu_ω für Gegenrotationsraten, die höher als μ_max sind, ab, bis es einen Minimalwert erreicht, und steigt dann für höhere Gegenrotationsfälle tendenziell wieder an. Das Raum-Zeit-Verhalten des turbulenten Strömungsfeldes für die Fälle mit hoher Gegenrotation zeigt die Existenz neu beobachteter Muster neben der äußeren Zylinderwand, die sich nach innen ausbreiten, den Drehimpulstransport verstärken und zu einem zweiten Maximum im Transport für höhere Gegenrotationsraten führen. Das Raum-Zeit-Verhalten des turbulenten Strömungsfeldes für die Fälle mit hoher Gegenrotation zeigt die Existenz von neu beobachteten Mustern neben der äußeren Zylinderwand, die sich nach innen ausbreiten, den Drehimpulstransport verstärken und zu einem zweiten Maximum des Transports für höhere Gegenrotationsraten führen. Für den rein rotierenden inneren Zylinder skaliert der Impulstransport.show moreshow less

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Metadaten
Author: Mohammed Hussein Haytham HamedeORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64456
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6445
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/06/12
Release Date:2023/07/24
Tag:Experimentelle Strömungsmechanik; Rotationsströmung; Taylor-Couette-Strömung; Turbulenz
Experimental fluid mechanics; Particle image velocimetry; Rotating flow; Taylor-Couette flow; Turbulence
GND Keyword:Turbulente Strömung; Strömungsmechanik; Rotationsströmung; Taylor-Couette-Strömung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Aerodynamik und Strömungslehre
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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