Raimund Haas

Laminar and turbulent flows of dilute polymer solutions: A physical model

It is well known that diluted high-molecular polymer solutions give rise to drastic flow effects; for example, in laminar flow through porous media, a pressure drop increase of up to thirty times the value of the flow of the pure solvent is observed, whereas in turbulent wall bounded flow, a pressure drop decrease or drag reduction of up to 80% or five times lower than the Newtonian value is measured. Although both these dramatic influences on the flow are caused by the same polymers, dissolved in the same solvent and employed in the same concentration range, the effects are usually interpreted by different models in the literature. The reason for this is the apparent contrariety of the observed polymer effects in laminar and turbulent flows.

Viscoelastic flow of dilute polymer solutions in regularly packed beds

It is well known that dilute polymer solutions may exhibit strong viscoelastic flow effects when exposed to elongational flow fields with elongation rates that exceed certain “Onset”-conditions. Such flow fields occur in the converging-diverging flow passages of a porous matrix but also in regularly packed beds of spheres.

Die Charakterisierung viskoelastischer Fluide mit Hilfe ihrer Strömungseigenschaften in Kugelschüttungen

ZusammenfassungDas viskoelastische Verhalten verdünnter makromolekularer Lösungen wird anhand von Strömungen durch Zufallsschüttungen mit einheitlichem Kugeldurchmesser untersucht. Zur Beschreibung der experimentell beobachteten Polymereffekte wird das Konzept einer repräsentativen Deborahzahl angewandt, die sich für die Porenströmung als Produkt aus der Relaxationszeit der Polymerflüssigkeit und der effektiven Dehnrate im Porenraum ergibt. Zur Modellierung der polymeren Flüssigkeit und zur Ableitung von Dehnviskositätsgleichungen werden Modellvorstellungen herangezogen, die auf der kinetischen Theorie verdünnter Hantelsuspensionen basieren. Für endlich dehnbare, nichtlinear-elastische Hanteln als Modellmoleküle erhält man für die Modellflüssigkeit ein Zweiparametersystem (b, τH), welches unmittelbar in die viskoelastischen Kenngrößen einer reinen Dehnströmung eingeht. Die Porenströmung wird als eine solche Dehnströmung modelliert. Experimentelle Ergebnisse aus Porenströmungen zeigen, daß der Einfluß aller maßgebenden strömungsmechanischen und physikalisch-chemischen Parameter, die das viskoelastische Verhalten von verdünnten Polymerlösungen bestimmen, von den theoretisch abgeleiteten Endbeziehungen korrekt beschrieben wird.AbstractThe viscoelastic flow behaviour of dilute macromolecular solutions is investigated experimentally using the flow through randomly packed beds composed of glass beads with a narrow size distribution. The concept of the Deborah number is applied to describe the observed polymer effects. To model the polymeric liquids and to derive extensional viscosity equations the kinetic theory of dilute dumbbell solutions is used treating the macromolecules as finite extendable, nonlinear-elastic dumbbells. In this way two parameters (b, τH) are obtained which characterize the behaviour of the macromolecules when these are stretched in elongational flow fields. The flow through porous media can be classified as such an extensional flow. The viscoelastic behaviour and the relaxation times of various polymer solutions are investigated by systematically varying the fluid velocity and bed characteristics of the porous media and the polymer-solvent-temperature conditions of the used polymer solutions. The experimental results are in good agreement with the theoretical predictions obtained by the dilute dumbbell theory.