Investigation of High Reynolds Number Pipe Flow

Investigation of High Reynolds Number Pipe Flow

Franziska König (Autor)
Investigation of High Reynolds Number Pipe Flow
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Contents
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
1 Preamble
1
1.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Motivation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3
Preliminary Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.3.1
Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.2
Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.3
Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2 Literature Review
10
2.1
The Onset of Sustained Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2
Moderate Reynolds Number Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3
High and Very High Reynolds Numbers - An Approach to Nature . . . . . 35
2.4
Numerical Approach to Turbulence in Pipe Flow . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Theoretical Analysis and Background
45
3.1
Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2
General Aspects on Pipe Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3
3.2.1
Laminar Pipe Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.2
Laminar-to-Turbulent Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
The Structure of the Turbulent Boundary Layer
. . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.1
The Viscous Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2
The Buffer Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.3
The Logarithmic Region of the Boundary Layer . . . . . . . . . . . 57
3.3.4
The Outer or Core Region of the Boundary Layer . . . . . . . . . 58
ix
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Contents
x
4 The Design Process of the CoLaPipe
4.1
4.2
60
Pipe Test Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.1
Flow Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.2
Surface Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.3
Diameter Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.4
Straightness and Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.5
Test Pipe Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Settling Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1
Inlet Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.2
Cooling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3
Blower Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4
Final Setup of CoLaPipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Measurement Techniques and Data Acquisition System
5.1
76
Pressure Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.1
Measurement of Ambient Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.2
Measurement of Static Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2
Temperature Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3
Velocity Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.1
Basic Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2
Hot-Wire Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.3
Application at CoLaPipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4
Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5
Quantification of Measurement Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.6
Determination of Fluid Flow Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.7
Accurate Positioning of HWA Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.7.1
Application of Optical Method to CoLaPipe . . . . . . . . . . . . . 89
6 Results
6.1
91
Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.1
Inlet Flow Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.2
Pressure Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.3
Transition Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2
Development Length - Natural Transition Case . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3
Development Length - Artificial Transition Case . . . . . . . . . . . . . . 100
6.4
Estimation of Wall Shear Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4.1
Mean Pressure Gradient Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4.2
Viscous Sublayer Profile Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4.3
Clauser Chart Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
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Contents
xi
6.5
Comparison of Different Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.6
Mean Velocity Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.7
Scaling of Fluctuating Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.7.1
Spatial Resolution Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7 Summary and Outlook
129
7.1
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2
Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
References
133
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