The free surface on a liquid between cylinders rotating at different speeds. Part III

Summary This paper is a further contribution to our work on the Weissenberg effect. One goal of our work is to show how the free-surface deformations on a viscoelastic fluid which is sheared between two concentric rotating cylinders can be used to determine rheological data about the fluid. In this paper we report the results of an experimental program in which free surface shapes have been measured on three viscoelastic fluids undergoing shearing in an apparatus consisting of a stationary outer cylinder and four interchangeable rotating inner cylinders. Experimentally-measured profiles are compared with profiles predicted from second-order theory, and found to be in excellent agreement for STP and TLA-227 in the range of applicability of the second-order theory, but there is some disagreement in the results for a 2% solution of polyacrylamide in 49% water –49% glycerin.

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Zusammenfassung Diese Arbeit stellt einen weiteren Beitrag zu unseren Untersuchungen über den Weissenberg-Effekt dar. Ein Ziel dieser Untersuchungen ist es zu zeigen, wie die Deformation der freien Oberfläche einer zwischen zwei konzentrischen Zylindern gescherten viskoelastischen Flüssigkeit dazu verwendet werden kann, rheologische Kenngrößen der Flüssigkeit zu gewinnen. In dieser Arbeit wird über die Ergebnisse einer experimentellen Untersuchung berichtet, in der die Gestalt der freien Oberfläche bei drei viskoelastischen Flüssigkeiten gemessen wurde, die in einem Apparat geschert wurden, der aus einem stationären Außenzylinder und vier auswechselbaren rotierenden Innenzylindern bestand. Die experimentell bestimmten Profile werden mit solchen verglichen, die aufgrund einer Theorie zweiter Ordnung vorausgesagt worden sind. Man findet im Bereich der Anwendbarkeit dieser Theorie für STP und TLA-227 eine ausgezeichnete Übereinstimmung, wohingegen die Ergebnisse bei einer 2%igen Polyacrylamid-Lösung in einer 1:1-Wasser-Glycerin-Mischung gewisse Diskrepanzen aufweisen.

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With 12 figures and 1 table     

Die Orientierung hantelförmiger Teilchen in Scherströmungen viskoelastischer Flüssigkeiten

Zusammenfassung Die Untersuchung behandelt die Orientierung von länglichen Teilchen in Scherströmungen viskoelastischer Flüssigkeiten. Als Modell hierfür werden starre Hanteln ohne rotatorischen Freiheitsgrad der Hantelkugeln benutzt. Bei Beschränkung auf schleichende Strömungen werden für eine Flüssigkeit zweiter Ordnung zunächst die Kraft- und Drehmomentbeiträge berechnet, die von der Flüssigkeit auf eine ruhende Kugel ausgeübt werden, sowie die für die spätere Berücksichtigung der Wechselwirkung der Hantelkugeln benötigten Anteile des Druck- und Geschwindigkeitsfeldes zweiter Ordnung.Mit Hilfe dieser Ergebnisse werden anschließend die stabilen und labilen Gleichgewichtslagen einer an die Scherebene gebundenen Hantel ohne und mit Berücksichtigung der Wechselwirkung der Hantelkugeln bestimmt. Weiter wird diskutiert, welche Aussagen man aus Beobachtungen an Kugeln oder Hanteln in der Scherströmung einer viskoelastischen Flüssigkeit über deren Stoffverhalten gewinnen kann.In einem abschließenden experimentellen Teil werden dann die theoretischen Ergebnisse an einer 0,1%-igen wäßrigen Polyacrylamid-Lösung durch Versuche an Kugeln und Hanteln überprüft. Obgleich diese Flüssigkeit im untersuchten Schergeschwindigkeitsbereich nicht mehr durch das Modell einer Flüssigkeit zweiter Ordnung beschrieben werden kann, findet man eine qualitative Bestätigung der vorausgesagten Orientierungseffekte. Außerdem werden einige weitere Verhaltensweisen ausgeprägt viskoelastischer Flüssigkeiten beobachtet.

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Summary Orientation effects of slender particles are investigated in shear flow of viscoelastic fluids. As a model for such particles rigid dumbbells are used without freedom of rotation of the dumbbell spheres. For slow flow at first the force and torque contributions are calculated, which are exerted from a second-order fluid on a rigid sphere at rest. In addition the required second-order parts of the pressure and velocity field are evaluated to consider later the interaction between the dumbbell spheres.From these results the stable and unstable orientation angles of a dumbbell in the shear plane are determined. This is done with and without taking into account the interaction effects. Furthermore it is discussed, which information about the material behaviour is available from observations of spheres or dumbbells in shear flow of a viscoelastic liquid.In conclusion the theoretical predictions are tested by experiments with spheres and dumbbells in a 0.1% aqueous solution of polyacrylamide. Even though this liquid cannot be described by the model of a second-order fluid in the range of shear rate applied, the predicted orientation effects are qualitatively confirmed. Moreover some other properties of highly viscoelastic fluids are observed.

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Von der Abteilung Chemietechnik genehmigte Dissertation; auszugsweise vorgetragen auf dem Euromech-Kolloquium No. 49 in Jabonna (Polen) vom 2.–5. April 1974 und der Jahrestagung der Deutschen Rheologen in Berlin vom 28.–30. April 1975.

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Mit 9 Abbildungen und 1 Tabelle     

Unsteady flows of a third-order viscoelastic fluid

Summary Unsteady third-order viscoelastic flow is examined for the purpose of determining a method by which certain material constants in theRivlin-Ericksen theory can be measured. The concept of an intrinsic pressure hole error is used, and an expression for this error is derived for third-order flow. It is also shown that the velocity field for unsteady creeping motion of a third-order fluid is identical at any time to a corresponding steady third-order flow. The pressure field, however, depends upon the rate of change of the flow with time.

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Zusammenfassung Es wird die instationäre Strömung dritter Ordnung einer viskoelastischen Flüssigkeit untersucht zu dem Zweck, eine Methode anzugeben, mit deren Hilfe gewisse Stoffkonstanten in der Theorie vonRivlin undEricksen gemessen werden können. Dazu wird das Konzept des intrinsic pressure hole error verwendet, und es wird für diesen Fehler im Rahmen der Theorie dritter Ordnung ein Ausdruck abgeleitet. Weiter wird gezeigt, daß das Geschwindigkeitsfeld für die instationäre schleichende Strömung einer Flüssigkeit dritter Ordnung zu jeder Zeit mit der zugeordneten stationären Strömung dritter Ordnung identisch ist. Im Gegensatz dazu hängt das Druckfeld jedoch von der zeitlichen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit ab.

     

Die langsame Strömung einer einfachen viskoelastischen Flüssigkeit durch einen endlich breiten Spalt

Zusammenfassung Es wird die zweidimensionale schleichende Strömung einer einfachen viskoelastischen Flüssigkeit durch einen endlich breiten Spalt mit Hilfe einer Störungsrechnung untersucht. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Relaxationslänge klein gegen die Spaltbreite ist.Für einige Werte der Strömungsparameter werden Ergebnisse für die Geschwindigkeitsverteilung im Spalt, den Stromlinienverlauf und die Reibungsspannungen graphisch dargestellt und diskutiert. Obwohl wegen der Beschränkung der Lösungsmethode die bei Experimenten beobachteten Zirkulationsströmungen nicht beschrieben werden können, zeigen die Ergebnisse, daß die Tendenz der Abweichung vom newtonschen Verhalten in die gleiche Richtung geht.

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Summary The two-dimensional creeping flow of a simple viscoelastic fluid through a finite gap located in an infinitely wide plate is analysed by using a perturbation method.Solutions for the streamline pattern, the velocity distribution in the gap and the stress components are derived and discussed. Because of the restrictions of the perturbation method no circular flow, as observed in some experiments, is predicted, but the results indicate at least some tendencies into this direction.

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Mit 8 Abbildungen     

Sekundärströmungen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei stationärer und periodischer Bewegung

Zusammenfassung Verschiedene Typen von Sekundärströmungen in viskoelastischen Flüssigkeiten werden besprochen, und es werden vor allem experimentelle Realisierungen derselben mitgeteilt, wobei als Versuchsflüssigkeit wäßrige Lösungen von Polyacrylamid Verwendung finden.Aus der Klasse der stationären Bewegungen werden Strömungen in geradlinigen Rohren von beliebigem Querschnitt und in gekrümmten Rohren von kreisförmigem Querschnitt unter einem konstanten Druckgradienten, sowie Strömungen um drehsymmetrische Körper, die um ihre Symmetrieachse rotieren, behandelt. Für den letztgenannten Fall wird u. a. das Gegeneinanderwirken von Viskoelastizitäts- und Trägheitseinflüssen aufgezeigt.In der Klasse der periodischen Bewegungen wird zuerst kurz auf die Strömung in einem geradlinigen Rohr von beliebigem Querschnitt unter einem alternierenden Druckgradienten eingegangen. Anschließend wird die Strömung um drehsymmetrische Körper, welche um ihre Symmetrieachse Rotationsschwingungen ausführen, untersucht. Dabei wird nicht nur eine stationäre Sekundärströmung in der Meridianebene, sondern außerdem auch eine solche in azimutaler Richtung nachgewiesen und als Folge der Unsymmetrie der anregenden periodischen Bewegung einsichtig gemacht. Schließlich wird gezeigt, daß im Innern eines Zylinders mit freier Flüssigkeitsoberfläche, der um seine Achse Drehschwingungen vollführt, eine unter Umständen recht komplizierte stationäre Sekundärströmung auftritt, und es wird deren Abhängigkeit von der Frequenz und der Füllhöhe untersucht.Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Bad Nauheim am 8. April 1965.Zum Schluß sei Herrn Prof. Dr.K. Weissenberg (The Royal Institution, London) herzlich für die Mitteilung seiner unveröffentlichten Ergebnisse gedankt, die zur Durchführung der zuletzt beschriebenen Versuche angeregt haben. Herrn Dipl.-Ing.K. Feldkamp (Technische Hochschule Braunschweig) sowie meinen Mitarbeitern HerrnH. Stollorz und HerrnH. Pickelin danke ich für ihre Hilfe bei Planung und Bau der Apparaturen und bei der Durchführung der Versuche, meinem Kollegen Herrn Dr.J. Pawlowski für manche anregende Diskussion sowie für die Messung der Fließkurven. Den Farbenfabriken Bayer AG., insbesondere Herrn Dr.W. Meskat gebührt schließlich mein Dank für die Förderung der vorliegenden Untersuchung.     

A similarity treatment of oscillatory flow in a pipe

Summary A similarity formulation is given for the equation describing oscillatory flow of a fluid (up to a secondorder viscoelastic fluid) in a pipe. Two possible methods of solution are described; the first is a method of successive approximation and the second is a solution in the form of an infinite series.

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Zusammenfassung Für die Gleichung, welche die oszillierende Strömung einer Flüssigkeit — bis zur viskoelastischen Flüssigkeit zweiter Ordnung — in einem Rohr beschreibt, wird eine Änlichkeitsformulierung angegeben. Zwei mögliche Lösungsmethoden werden beschrieben; die erste stellt eine Methode der Sukzessionen Approximation und die zweiten eine Lösung in Form einer unendlichen Reihe dar.

     

Pulsatile flow of an elastico-viscous liquid in a channel of elliptic cross-section

Summary The pulsatile flow of an elastico-viscous liquid through an elliptic tube is considered in this note. The problem is solved as a boundary and initial value problem by using the Laplace Transform method. Explicit expressions for velocity distribution are obtained in the two limiting cases of small and large values of time. The effect of elasticity on the flow is discussed analytically.

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Zusammenfassung In dieser Mitteilung wird die pulsierende Strömung einer viskoelastischen Flüssigkeit durch ein elliptisches Rohr betrachtet. Das Problem wird als Anfangs- und Randwertproblem mit Hilfe der Laplace-Transformation gelöst. Explizite Ausdrücke der Geschwindigkeitsverteilung werden für die beiden Grenzfälle kurzer und langer Zeiten angegeben. Die Wirkung der Elastizität auf die Strömung wird analysiert.

     

Heat transfer from non-isothermal surfaces in the stagnation-point flow of a micropolar fluid

Summary This paper contains a numerical study of the development of the thermal boundary layer on an impermeable flat surface, following a step change in surface temperature, for stagnation-point flow of a micropolar fluid. A study is made of the relative effects of the individual parameters in the equations, and a comparison of certain integral parameters, representative of the flow, is used to assess the accuracy of the results.

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Zusammenfassung Diese Arbeit enthält eine numerische Untersuchung der Entwicklung der thermischen Grenzschicht auf einer undurchlässigen ebenen Oberfläche nach stufenförmigem Sprung in der Oberflächentemperatur für die Staupunktsströmung einer mikropolaren Flüssigkeit. Die relativen Auswirkungen der einzelnen Parameter in den Gleichungen werden untersucht und ein Vergleich von gewissen, für die Strömung repräsentativen integralen Parametern wird durchgeführt, um die Genauigkeit der Ergebnisse abzuschätzen.

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With 4 figures and 1 table     

On stress distribution in flows of viscoelastic fluids through ducts with porous walls

Summary In continuation of an earlier investigation, the present paper discusses the stress distribution in the inertialess flow of a viscoelastic fluid confined between two plane parallel walls, in which the upper wall moves with a constant velocity while the lower is held at rest with a uniform constant suction applied on its surface. However, the stress field is discussed in detail for the case when the upper wall is also held at rest and the effects arising due to application of suction are pointed out. The most important difference in the behaviour of viscoelastic fluid, compared with that ofNewtonian fluid, lies in the fact that the gradient of the normal stress component in the horizontal direction depends on the distance from the walls.A short discussion has also been provided for the flow in a cylindrical tube with uniform constant suction applied on its surface. Though not evident from general considerations, it is seen that the situation here also is quite similar to that of plane flow.

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Zusammenfassung In Fortsetzung einer früheren Untersuchung wird in der vorliegenden Arbeit die Spannungsverteilung in einer viskoelastischen Flüssigkeit diskutiert, die trägheitslos zwischen zwei parallelen Wänden strömt, wenn die obere Wand mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird und an der unteren, in Ruhe befindlichen eine gleichförmige konstante Absaugung erfolgt. Das Spannungsfeld wird indessen im einzelnen nur für den Spezialfall diskutiert, daß auch die obere Wand ruht, und die infolge der Absaugung entstehenden Effekte werden aufgezeigt. Der wichtigste Unterschied im Verhalten einer viskoelastischen Flüssigkeit, verglichen mit einerNewtonschen Flüssigkeit, besteht darin, daß der Gradient der Normalspannungskomponente in horizontaler Richtung vom Wandabstand abhängt.Abschließend wird noch die Strömung durch ein zylindrisches Rohr mit gleichmäßiger konstanter Absaugung kurz diskutiert. Man findet, daß die Situation hier ganz ähnlich ist wie bei der ebenen Strömung, wenngleich dies nicht aus allgemeinen Betrachtungen gefolgert werden kann.

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Paper presented at the annual meeting of German Rheologists held in Berlin, May 11–13, 1970.     

Flow of a power law fluid in an annulus with porous walls

Summary The steady flow of a power law fluid in annuli with porous walls is investigated. The solution for the axial velocity component is obtained as a power series in terms of the cross flowReynolds number, the first term of the series giving the solution for the case of the solid wall annulus. The cross flow is restricted to be such that the rate of injection of fluid at one wall of the annulus is equal to the rate of suction at the other wall and also we have considered only very small values of the cross flow velocity. The velocity profiles are drawn for different values ofn and for different gaps and the results are discussed in detail. The behaviour of the average flux, in different eases is also discussed.

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Zusammenfassung Das stationäre Strömen einer dem Potenzgesetz gehorchenden Flüssigkeit in Ringkanälen mit porösen Wänden wird untersucht. Die Lösung für die axiale Geschwindigkeitskomponente ergibt sich als eine Potenzreihe in der Form derReynolds-Zahl für die Querströmung, wobei der erste Term der Reihe die Lösung für den Fall eines Ringkanals mit undurchlässiger Wand ergibt. Die Querströmung ist dadurch beschränkt, daß die Injektionsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der einen Wand des Kanals genau so groß ist wie die Absaugungsgeschwindigkeit an der anderen Wand. Ebenso werden nur sehr kleine Werte der Querströmungsgeschwindigkeit untersucht. Die Geschwindigkeitsprofile werden für verschiedene Werte vonn und für verschiedene Spaltweiten angegeben. Die Ergebnisse werden ausführlich diskutiert. Ebenso wird das Verhalten der mittleren Strömung für die verschiedenen Fälle diskutiert.

     

Rheological simulation of synovial fluid by a synthetic macromolecular solution

Summary The flow characteristics of a series of potential synthetic synovial fluids have been examined. These were mainly solutions of polyvinyl pyrrolidone in water. The techniques leading to the production of a fluid with flow properties very similar to normal synovial are described.The apparent shear elasticity and relaxation time data of the synthetic fluid as compared to normal fluid are discussed in terms of the relative importance of intermolecular entanglement and intermolecular complexing in the 2 fluids.

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Zusammenfassung Die Synovialflüssigkeit von normalen menschlichen Gelenken zeigt ein charakteristisches Theologisches Verhalten, das stark verändert ist, wenn das Gelenk von rheumatischer Arthritis befallen ist. Um die Möglichkeit der Substitution mit einer synthetischen Gelenkflüssigkeit im krankhaften Gelenk zu bewerten, mit dem Ziel die Symptome zu erleichtern und den Prozeß der Gelenkzerstörung zu verzögern, wurde besonders Wert darauf gelegt, eine Polymerlösung zu finden mit ähnlichen Theologischen Eigenschaften wie eine normale Synovialflüssigkeit. Es wird angenommen, daß das besondere rheologische Verhalten einer normalen Synovialflüssigkeit (hohe Viskosität und Elastizität, ausgeprägtes nicht-Newtonsches Verhalten und Thixotropie) von Bedeutung für das Schmieren von Gelenken ist, obwohl ihre genaue Bedeutung im Bezug auf Reibung noch nicht gesichert ist und augenblicklich diskutiert wird.Fließexperimente wurden mit einemWeissenberg-Rheogoniometer usgeführt und mit einem UV-Schreiber registriert, um genaue Fließ-Spannungswerte zu erhalten.In dieser Abhandlung werden Ergebnisse über das Fließverhalten verschiedener möglicher synthetischer Flüssigkeiten veröffentlicht einschließlich der, die schließlich gewählt wurde: eine Lösung von umgewandeltem PVP (Polyvinylpyrrolidon). Dies ist ein wasserlöslicher hochmolekularer Stoff, der sich als physiologisch verträglich und nicht-toxisch gezeigt hat. Wäßrige 10%ige Lösungen mit hochmolekularem PVP ha ben ein Viskositätsverhalten, das bei niedrigerer Schubbel astung der normalen Synovialflüssigkeit ähnlich ist, aber nichtthixotropes und nur leicht nicht-Newtonsches und elastisches Verhalten zeigt. Im Labor hergestelltes hochgereinigtes PVP ergab ein Polymerisat, das in Lösung ein ähnliches Verhalten zeigte wie Handelsmaterial. Bestrahlung jedoch mit einer kritischen Dosis von 1,5 mrad in einem UCR 100 Reaktor erzeugte ein Polymerisat, das in 10%iger wäßriger Lösung ein Fließverhalten zeigte, das der normalen Synovialflüssigkeit sehr ähnlich war.Diese Ergebnisse werden im Detail dargelegt: besonders die Eigenschaften unter Höchstbelastung, die bei Beginn einer Schubbelastung in tangentialer als auch in normaler Richtung auftreten. Die Wirkung von anderen Bestrahlungsdosen auf das Theologische Verhalten wird auch beschrieben. Die Scher-Resistenz der synthetischen Flüssigkeit wurde mit einem Rheogoniometer und einem Gelenk-Simulator getestet und die Schmiereigenschaften mit der normalen Synovialflüssigkeit verglichen.Die Bedeutung der Theologischen Ergebnisse wird im Licht der neuen Theorien für Lösungen von Polymeren, die einem Scherfließen unterworfen sind, diskutiert, und mögliche Anwendungen auf andere biologische Flüssigkeitssysteme werden vorgeschlagen.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

The effects of random longitudinal vibration on pipe flow of a non-Newtonian fluid

Summary A perturbation solution to a pulsating pipe flow of a non-Newtonian fluid is developed. The pipe is vibrated longitudinally in a random stationary manner and the fluid is driven by a constant pressure drop. Three explicit constitutive equations are studied: the generalized Newtonian, the strain-rate and the strain-dependent constitutive equations. It is found that all three of them are capable of describing the flow enhancement phenomenon observed byMena et al. and that this effect is entirely an inertia effect which is exhibited only by shear-thinning fluids.

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Zusammenfassung Es wird eine Näherungslösung für die pulsierende Rohrströmung einer nicht-newtonschen Flüssigkeit entwickelt. Das Rohr vibriert dabei in Längsrichtung nach Art eines stationären stochastischen Prozesses, und die Flüssigkeit wird durch ein konstantes Druckgefälle angetrieben. Drei Formen rheologischer Stoffgleichungen werden untersucht: die einer verallgemeinerten newtonschen, einer deformationsgeschwindigkeits-und einer deformationsabhängigen Flüssigkeit. Es wird gefunden, daß alle drei Modelle imstande sind, das vonMena und Mitarbeiter beobachtete Phänomen der Durchsatzsteigerung zu beschreiben und daß dieser Effekt ein reiner Trägheitseffekt ist, der nur bei Flüssigkeiten mit Scherentzähung vorkommt.

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With 3 figures     

Zur Stabilität von Strömungen viskoelastischer Flüssigkeiten

Zusammenfassung Das Zustandekommen von Instabilitäten des Zellularströmungstyps in der ebenen und kreisförmigen Couette-Strömung aufgrund von Trägheit und Viskoelastizität wird anschaulich gemacht, und es werden die Störungsgleichungen für eine sog. Theorie 2. Ordnung aufgestellt und diskutiert. Diese Gleichungen werden für die ebene Couette-Strömung in vollständiger Form und anschließend für die nicht-ebene Couette-Strömung unter Vernachlässigung der Trägheit gelöst. Man findet, daß in beiden Fällen die sog. zweite Normalspannungs-differenz eine entscheidende Rolle spielt. Weiter wird gezeigt, daß die gefundenen Kriterien auch über den Anwendungsbereich der Theorie 2. Ordnung hinaus als Näherung gültig bleiben, wenn man die darin vorkommenden Materialkonstanten durch die entsprechenden Materialfunktionen ersetzt. Zum Abschluß werden orientierende Versuche mit einer Couette-Apparatur an viskoelastischen Flüssigkeiten beschrieben. In einer Polyisobutylenlösung treten Instabilitäten des diskutierten Typs bereits unter Bedingungen auf, bei denen die Drehzahl etwa 600 mal kleiner ist, als sie für die Erzeugung derartiger Störungen in einer vergleichbaren Newtonschen Flüssigkeit benötigt würde. In einer Al-Naphthenat-Lösung wird außerdem das Einsetzen elastischer Turbulenz beobachtet, wobei die Drehzahl ca. 30 mal kleiner ist, als sie zur Erzeugung von Trägheitsturbulenz sein müßte.

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Summary Instabilities of the cellular type in straight and circular Couette flow as generated by inertia and visco-elasticity are elucidated, and perturbation equations are derived and discussed for a second-order theory. For straight Couette flow these equations are solved in full generality, but for circular Couette flow with neglect of inertia only. It is found that in both cases the so-called second normal-stress difference is of decisive importance. It is shown further, that stability criteria may also be used as a good approximation outside the range of applicability of the second-order theory, if the material constants are substituted by the respective material functions. Finally, some makeshift experiments with viscoelastic fluids in a Couette apparatus are briefly described. A solution of polyisobutylene shows instabilities of the discussed type under conditions in which the rotational speed is about 600 times lower than it should be for generating such disturbances in comparable Newtonian fluids. In a solution of Al-naphthenate, in addition the transition to elastic turbulent flow was observed. Here, the speed was about 30 times lower than it should be to generate inertial turbulence.

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Herrn Dr. phil. W. Meskat zum 60. Geburtstag gewidmet

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Über die Ergebnisse dieser Untersuchung wurde auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik in Darmstadt am 13. April 1966 berichtet, vgl. (12).

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Herrn Dr.G. Kaufhold und Herrn Stud.-ReferendarH. Schmittmann sei für die Vorbereitung und Durchführung der numerischen Rechnungen, sowie Herrn Dr.J. Pawlowski für die Bestimmung der Fließkurven herzlich gedankt. Den Herren cand. phys.E. Schultes undH. Pickelin gebührt Dank für die sorgfältige Durchführung der Experimente.     

The effect of Brownian motion for a suspension of spheres

Summary A system consisting of an incompressible Newtonian fluid in which solid particles of spherical shape are suspended is investiged. Employing irreducibleCartesian tensors an explicit solution to the Stokes problem for a sphere in an arbitrary flow field is obtained, valid even under conditions that the sphere is so small that the customary no-slip assumption need no longer be valid (Richardson). Since in that case Brownian motion cannot be neglected the effect of thermal agitation is studied. While no influence is found for a Couette flow the results for Poiseuille flow are markedly effected: In a vertical tube flow a nonuniform radial distribution of spheres results while for horizontal Poiseuille flow the effective viscosity becomes dependent upon the sphere radius. It increases with increasing sphere radius and is always larger than the corresponding result for truly neutrally buoyant spheres. These results are obtained from the equations governing the mechanical behavior of such a suspension, equations which are derived by means of ensemble averages. The advantage of these averages over the volume averages is demonstrated.

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Zusammenfassung Ein System, bestehend aus einer inkompressiblen newtonschen Flüssigkeit mit darin suspendierten starren kugelförmigen Teilchen wird untersucht. Mit Hilfe irreduzibler kartesischer Tensoren erhält man eine explizite Lösung des Stokesschen Problems einer Kugel in einem beliebigen Strömungsfeld. Diese Lösung behält ihre Gültigkeit sogar dann, wenn die Kugeln so klein sind, daß die Haftbedingung der Flüssigkeit nicht länger gültig zu sein braucht (Richardson). Da dann die Brownsche Bewegung nicht länger vernach-lässigt werden kann, wird der Einfluß der thermischen Bewegung untersucht. Während kein Einfluß in einer Couette-Strömung feststellbar ist, ändern sich die Resultate für eine Poiseuille-Strömung drastisch: In einer vertikalen Kapillarströmung stellt sich eine ungleichförmige radiale Verteilung von Teilchen ein, und in einer horizontalen Poiseuille-Strömung wird die scheinbare Viskosität eine Funktion des Kugelradius. Sie nimmt nicht nur mit größer werdendem Radius zu, sondern ist auch immer größer als im Fall auftriebloser Kugeln.Diese Resultate werden über die Bewegungsgleichungen einer Kugelsuspension gewonnen, wobei die Gleichungen mit Hilfe von Ensemble-Mittelwerten hergeleitet werden. Der Vorteil solcher Mittelwerte über Volumenmittelwerte wird aufgezeigt.

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With 2 figures     

Der Einfluß starker Kontaktunstetigkeiten auf die Überschallströmung um schlanke Körper

Übersicht Durchfliegt ein Körper mit Überschallgeschwindigkeit eine Mediengrenze (eine Fläche, auf der sich die Gaseigenschaften unstetig ändern), so entsteht eine instationäre Störströmung in der Umgebung der Mediengrenze. Dieser Vorgang, der im Stoßwellenrohr experimentell realisiert werden kann, wird analytisch untersucht. Unter der Annahme schlanker Körper wird das Problem in linearer Näherung mit Hilfe von Integraltransformationen für beliebig starke Unstetigkeitsfront gelöst. Der Körper darf dabei entweder eben oder rotationssymmetrisch sein. In gewissen Spezialfällen ergeben sich einfache geschlossene Formelausdrücke für die Störgrößen. Einige Ergebnisse werden graphisch veranschaulicht.

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Summary The unsteady disturbance of flow, produced by a body crossing a contact discontinuity with supersonic speed, is treated analytically. This problem arises in shock tube studies. For slender plane bodies and bodies of revolution the problem is solved by integral transformations in a linear approximation. The contact discontinuity may be of arbitrary strength. In certain special cases simple formulas for the pressure disturbance can be found. Some results are shown in diagrams.

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Der Verfasser dankt Herrn Dr. II. Oertel, Weil am Rhein, für die Anregung zu dieser Arbeit, sowie Herrn Prof. Dr. E. Becker, Darmstadt, für das nicht nachlassende Interesse an ihrem Fortgang.     

Throughflow effects on the transient and stability characteristics of a thermosyphon

Throughflow effects on the flow in a natural circulation loop are investigated analytically. The loop consists of two vertical insulated branches with a point heat source at the bottom and a point heat sink at the top. Hot liquid is extracted continuously at the hottest spot (just downstream of the heat source) and replaced by cold liquid injection just downstream of the heat sink. A one-dimensional spatial model is employed to calculate flow rates and temperature distributions for various loop parameters and through-flow rates. Steady state, transient behavior, and stability characteristics are studied. It is found that the throughflow stabilizes the motion in the loop.

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Einflüsse der Zuströmung in einen Thermosyphon auf sein transientes Verhalten und seine Stabilität

Zusammenfassung Die Einflüsse der Zuströmung auf die Strömung in einem natürlichen Zirkulationskreislauf werden analytisch untersucht. Der Kreislauf besteht aus zwei vertikalen isolierten Abschnitten mit einer punktuellen Wärmequelle unten und einer punktuellen Wärmesenke oben. Heiße Flüssigkeit wird ständig an der wärmsten Stelle (unmittelbar nach der Wärmequelle) abgesondert und durch kalte Flüssigkeit ersetzt, die unmittelbar nach der Wärmesenke eingespritzt wird. Um die Durchflußraten und Temperaturverteilungen für verschiedene Kreislaufparameter und Zufiußmengen zu berechnen, wird ein eindimensionales Modell verwendet. Die Untersuchungen gelten dem Gleichgewichtszustand, dem transienten Verhalten und den Stabilitätseigenschaften. Es zeigt sich, daß die Zuströmung die Bewegung im Kreislauf stabilisiert.

     

Die Einströmung einer idealen Flüssigkeit in eine kreisförmige Bordasche Mündung

Zusammenfassung Für die Einströmung einer idealen Flüssigkeit in ein kreisförmiges Rohr mit Strahlablösung (Bordasche Mündung) wird eine numerische Näherungslösung angegeben. Hierzu wird für einen probeweise angenommenen Strahlrand die vollständige Strömung berechnet durch numerische Integration der Differentialgleichung der Stromfunktion mit dem Liebmannschen Mittelungsverfahren. Nach den Abweichungen der Geschwindigkeit am angenommenen Strahlrand von dem geforderten konstanten Wert wird dann die Form des Randes verbessert. Schließlich wird noch eine Verbesserung auf graphischem Wege erreicht. Die Ergebnisse werden dann mit denen der entsprechenden ebenen Aufgabe verglichen.     

Die Instabilität der ebenen Couette-Strömung mit anwendung auf Maxwell- und Doi-Edwards-Flüssigkeiten

Zusammenfassung Der Cauchy-Green-Tensor einer beliebig vorgegebenen Grundströmung wird für kleine Störungen linearisiert und das Ergebnis in geschlossener Form angegeben. Anschließend werden das Stabilitätsverhalten einer viskoelastischen Flüssigkeit hinsichtlich spezieller Störungen untersucht und verschiedene Grenzfälle (kurze und lange Wellen) diskutiert. Zum Schluß wird ein durch die elastischen Eigenschaften der Flüssigkeit bestimmter Instabilitätsmechanismus für Maxwell- und Doi-Edwards-Fluide aufgezeigt.

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The Cauchy-Green tensor of a given basic flow is linearized for small perturbations and the result is given in explicit form. The stability behaviour of an elastic fluid is then investigated for a special type of perturbation, and several limiting cases (short and long waves) are discussed. Finally, an instability mechanism of Maxwell and Doi-Edwards fluids caused by the elastic properties of these fluids is demonstrated.

Alle Korrespondenz bitte an diese Adresse richten.     

Introduction of small velocity and pressure variation into a stationary compressible fluid

Summary This work formulates the aerodynamic time-dependent Coulomb and Biot-Savart laws with inherent transmission retardation. It generalizes the theory by Baskin et al. (for only the isentropic propagation of small vortex disturbances) to deal with the propagation of small disturbances caused by a distributed system of both vortices and variation in specific entropy of a thermodynamically simple compressible fluid. The proof here uses an alternative, more appealing derivation with the help of a novel wave-cone transformation (which changes Kirchhoff's retarded potentials into Newtonian potentials). The results suggest the possibility of using a focused laser spot to simulate the effect of a source in a compressible fluid; the source may even move at a supersonic speed to create a shock wave. They also suggest a time-dependent, three-dimensional formula for lifts caused by small disturbances that is in agreement with Blasius' formula for two-dimensional, time-independent, inviscid flows.

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Störung einer stationären, kompressiblen Flüssigkeit durch kleine Geschwindigkeits- und Druckänderungen

Übersicht Formuliert werden die zeitabhängigen, aerodynamischen Gesetze von Coulomb und Biot-Savart mit inhärenter Übertragungsverzögerung. Damit wird die Theorie von Baskin u. a. für isentrope Fortpflanzung kleiner Wirbelstörungen verallgemeinert auf die Fortpflanzung kleiner Störungen, die durch eine Verteilung von Wirbeln und von Änderungen der spezifischen Entropie einer thermodynamisch einfachen, kompressiblen Flüssigkeit verursacht werden. Mit Hilfe einer neuartigen Wellenkegel-Transformation, welche die Kirchhoff-Potentiale mit Verzögerung in Newtonsche Potentiale über führt, wird der Beweis hier in einer alternativen Form hergeleitet. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, durch einen fokusierten Laserfleck den Effekt einer Quelle in der kompressiblen Flüssigkeit zu simulieren, wobei die Quelle zur Erzeugung einer Schockwelle sogar mit Überschallgeschwindigkeit wandern kann. Aufgrund der Resultate wird eine zeitabhängige, dreidimensionale Formel für den Auftrieb infolge kleiner Störungen vorgeschlagen, die mit Blasius' Formel für zweidimensionale, zeitunabhängige zähigkeitslose Strömungen in Einklang steht.

     

Ein rheometer zur untersuchung von flüssigen polymermaterialien in einachsiger und zweiachsiger Dehnung

Zusammenfassung Wir stellen ein neues Dehnrheometer vor, mit dem sowohl einachsige als auch zweiachsige Dehnexperimente an flüssigen Polymermaterialien durchgeführt werden können. Bei der Apparatur wird das Prinzip der atmenden Blase verwendet: Über eine Düse wird in das zu untersuchende Material eine kugelförmige Blase aus einer niederviskosen, inkompressiblen, unmischbaren Flüssigkeit injiziert. Wachstum bzw. Schrumpfen dieser Blase führt zu einer zweiachsigen bzw. einachsigen Dehndeformation der umgebenden Polymerflüssigkeit. Der Injektionsdruck dient als Meßgröße zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften des Probenmaterials. Bei vergleichsweise niederviskosen Silikonölen gelingt die Messung der Nullviskosität bzw. der linear viskoelastischen Eigenschaften in guter Übereinstimmung mit Scherexperimenten. Bei Materialien mit ausgeprägt nichtlinear viskoelastischem Verhalten kann unter Anwendung des Wagner-Modells die Dämpfungsfunktion für ein- und zweiachsige Dehnung ermittelt werden. Unsere Ergebnisse für das Polyisobutylen Oppanol B 15 stimmen mit Messungen von Demarmels und Meißner überein, die mit der Methode der Rotierenden Klemmen durchgeführt werden. Für drei Polyisobutylene unterschiedlichen Molekulargewichts ergibt sich im Rahmen der Meßgenauigkeit die gleiche Dämpfungsfunktion.Vortrag auf der Jahrestagung 1991 der Deutschen Rheologischen Gesellschaft e.V. in Berlin.