In-situ experimental investigations of the turbulent fluid flow under high pressure [Elektronische Ressource] = In-situ-experimentelle Untersuchungen turbulenter Strömung unter Hochdruck / vorgelegt von Kwonyul Song

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In-Situ Experimental Investigations of the Turbulent Fluid Flow under High Pressure In-situ experimentelle Untersuchungen turbulenter Strömung unter Hochdruck Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEUR vorgelegt von Kwonyul Song Erlangen, 2010 II Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährungdes akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) . Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der Einreichung: 07.06.2010 Tag der Promotion: 21.07.2010 Dekan: Prof. Dr.–Ing. habil. Reinhard German Berichterstatter: Prof. Dr.–Ing. habil. Antonio Delgado Prof. Dr.–Ing. Man-Gi Cho III Dedicated to Minjung Byungsoon, Taesu, Bonghwa, My late father Bonghyun and brother Kwonwoong And my students Hyoungtak, Yu, Wojtek Thanks…. IV ZUSAMMENFASSUNG Im Rahmen dieser Dissertation wird der Einfluss einer hohen Druckrampe auf eine turbulente Strömung mittels Hochdruck-Laser Doppler Anemometrie (HD-LDA) und Hochdruck-Hitzdraht Anemometrie (HD-HDA) erstmalig experimentell untersucht. Turbulenz wird beim Pumpen des Druckübertragungsmediums über das Rohr in den Druckbehälter erzeugt.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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In-Situ Experimental Investigations of the Turbulent Fluid
Flow under High Pressure

In-situ experimentelle Untersuchungen turbulenter
Strömung unter Hochdruck













Der Technischen Fakultät
der Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von

Kwonyul Song





Erlangen, 2010 II

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan
für
Ernährungdes
akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
.































Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 07.06.2010
Tag der Promotion: 21.07.2010
Dekan: Prof. Dr.–Ing. habil. Reinhard German
Berichterstatter: Prof. Dr.–Ing. habil. Antonio Delgado
Prof. Dr.–Ing. Man-Gi Cho III







Dedicated to Minjung
Byungsoon, Taesu, Bonghwa,
My late father Bonghyun and brother Kwonwoong
And my students Hyoungtak, Yu, Wojtek
Thanks….

IV

ZUSAMMENFASSUNG
Im Rahmen dieser Dissertation wird der Einfluss einer hohen Druckrampe auf eine turbulente
Strömung mittels Hochdruck-Laser Doppler Anemometrie (HD-LDA) und Hochdruck-
Hitzdraht Anemometrie (HD-HDA) erstmalig experimentell untersucht. Turbulenz wird beim
Pumpen des Druckübertragungsmediums über das Rohr in den Druckbehälter erzeugt. Die
Rohrströmung wird mittels HD-HDA unter Verwendung von Glycerin und Silikonöl
(Hexamethyldisiloxane, HMD) als Druckübertragungsmedium, die gut wegen ihrer niedrigen
elektrischen Leitfähigkeit und jeweils extrem hohen und niedrigen kinematische Viskosität
für diese Messungen geeignet sind. Die Strömung aus dem Rohr (Freistrahl) wird mittels HD-
LDA untersucht unter Verwendung von Wasser als Druckübertragungsmedium untersucht.
Dafür wurde ein spezieller Versuchsaufbau entwickelt der aus einem Druckbehälter mit einem
Innenvolumen von 1,5 Liter, einem Behälter für das Druckübertragungsmedium, einer
Hydraulikpumpe und einem Druckübersetzer besteht. Während der Druckaufbauphase
entsteht eine voll entwickelte Strömung im Rohr. Der erwünschte Druckaufbau ist über eine
speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mit minimaler Störung kontrolliert.
Die dynamische Viskosität und Dichte von Wasser bzw. Silikonöl wurden im gleichen Druck-
und Temperaturbereich gemessen, um ihren Effekt auf die Strömungsänderung zu bestimmen.
Die Dichte und die dynamische Viskosität vom Silikonöl nehmen jeweils um 20 % und ca.
das 8-fache bei einer Druckerhöhung von 0,1 auf 300 MPa bei der Temperaturerhöhung von
30 K zu.
Die orts- und druckabhängigen Geschwindigkeitsprofile des Freistrahls wurden mit Hilfe von
HD-LDA in Rückwärtsstreuungsmodus gemessen. Die Eintrittsgeschwindigkeit nimmt mit
zunehmendem Druck bei einer konstanten Druckrampe aufgrund der druckinduzierten
Abnahme der Wasserkompressibilität ab. Die Geschwindigkeitsverteilungen flussabwärts bei
unterschiedlichen Positionen und Drücken wurde als sehr ähnlich beobachtet. Die Strahlbreite
wird aufgrund einer zunehmenden Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsfluid und
Freistrahl immer größer während der Druckaufbauphase. Demzufolge kann die niedrigere
Temperatur der Eintrittsströmung den Mischungsbereich vom Freistrahl erweitern. Die
Reynoldszahl ändert sich drastisch aufgrund der druckinduzierten Änderung der
thermodynamischen Eigenschaften vom Wasser und aufgrund der abnehmenden
Geschwindigkeit. Trotzdem hält sich die Reynoldszahl auf einem hohen Niveau von ca. 7000 V

während der Druckaufbauphase und ist viel höher als die empirische kritische Reynoldszahl
von 33 für den Freistrahl was auf einen voll entwickelten turbulenten Freistrahl während der
gesamten Druckaufbauphase hinweist. Jedoch verringert sich die Turbulenzintensität mit
zunehmenden Druck und Temperatur. Die experimentellen Ergebnisse werden mit
numerischen Berechnungen verglichen. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung.
Die experimentelle Detektion des Umschlagspunktes von der turbulenten zu laminaren
Strömung (bezüglich der Geschwindigkeits- und Temperaturfluktuationen) während des
Druckaufbaus wird mittels HD-HWA durchgeführt. Die laminare Strömung mit einer
Reynoldszahl von ca. 10 wird unter Verwendung von Glycerin als Druckübertragungsmedium
erzeugt, während HMD als Druckübertragungsmedium bei der turbulenten Strömung mit
Reynoldszahl von ca. 10000 aufgrund seiner sehr niedrigen Viskosität benutzt wird. Die
offensichtliche Unterdrückung der turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen, die zur
Relaminarisierung der Turbulenz führt, findet beim Druck von 150 MPa und bei einer
Reynoldszahl von ca. 4000 statt, das oberhalb der kritischen Reynoldszahl von ca. 2320 für
Rohrströmung liegt. Diese Ergebnisse zeigen erstmalig, dass eine Hochdruckrampe zu einer
kompletten Relaminarisierung einer voll entwickelten turbulenten Rohrströmung führen kann
was in vielen technischen Anwendungen vom Hochdruck eine nicht unerhebliche Rolle spielt.

VI

ABSTRACT
Effect of high-pressure ramp on turbulent flow is experimentally investigated by means of
High-Pressure-laser Doppler anemometry (HP-LDA) and High-Pressure-Hot-wire
anemometry (HP-HWA) for the first time. The turbulent flow is generated when a pressure
transmitting fluid is injected through tube in the tube injection system into pressure vessel.
Flow in the tube i.e. pipe flow is investigated by means of HP-HWA using glycerol and
silicon oil as working fluid due to their low electrical conductivity whereas flow issuing from
the tube i.e. free jet is investigated by means of HP-LDA using water as working fluid. To
perform experiments an experimental set-up has been specially designed. It consists of a HP
vessel with an inner volume of 1.5 liter, a container with a pressure transmitting fluid, a
hydraulic pump and a hydraulic pressure intensifier. During pressurization process, a fully
developed flow is established in the pipe and maintained by a computer controlled regulation
system in such way as to produce the desired increase in pressure with minimum disturbances
produced by regulation system itself.
Two auxiliary experiments are carried out to measure dynamic viscosity and density of water
and silicon oil at the same pressure and temperature range in order to figure out their effects
on the obtained flow modification. Dynamic viscosity of silicon oil increases nearly 8-fold
and density increases by 20 % at pressure variation from 0.1 to 300 MPa and temperature
increase of 30 K.
Space and pressure dependent velocity profiles of free jet are obtained using HP-LDA in
backscattering mode. Inlet velocity decreases with increasing pressure at constant pressure
ramp due to the decrease in compressibility of water. Similarities in flow patterns in various
section and pressure moving downstream with the main flow could be clearly observed.
Width of the jet becomes larger during pressurization phase due to the increase in temperature
difference between surrounding flow and free jet. Therefore, lower temperature at inlet flow
may enlarge the mixing zone of free jet in the vessel. Due to variation of thermodynamic
properties of water and decrease in velocity, Reynolds number at constant pressure ramp
changes drastically. Nevertheless, Reynolds number remains at high level of about 7000
during pressurization which is quite larger than the empirical critical Reynolds number of 33
for free jet indicating fully turbulent free jet during whole process. However, turbulence VII

intensity decreases with increasing pressure. Velocity results of HP-LDA are compared with
the simulations results showing a very good agreement.
Detection of reverse transition from turbulent towards laminar regime both of velocity and
temperature during rapid pressure increase is conducted by means of HP-HWA. The first
exploratory measurements using glycerol as the working fluid correspond to laminar flow at
very low Reynolds number, Re < 10. Using silicon oil as the working fluid the turbulent flow
regime with a Reynolds number of Re ≈ 10000 is established due to the its low viscosity. It is
clearly observed that suppression of turbulent velocity fluctuations leading to flow
relaminarization occurs at pressure of 150 MPa and at a Reynolds number of Re ≈ 4000,
which is far above the critical Reynolds number of Re N 2320 for pipe flow. These results crit
firstly demonstrate that high-pressure ramps are capable of producing complete
relaminarization of a fully developed turbulent pipe flow which plays a crucial role in
technical applications using high-pressure.













VIII

TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION _____________________________________________________________ XIV
1.1 High Pressure Processing (HPP) ____________________________________ 2
1.2 Thermofluiddynamic aspect of HPP _________________________________ 5
1.3 Turbulence under high pressure condition ____________________________ 7
1.4 The goal of work ________________________________________________ 8
2 THEORETICAL BACKGROUND _________________________________________________ 10
2.1 Thermofluiddynamic in HPP ______________________________________ 10
2.1.1 Dimensionless equations for HPP __________________________________ 13
2.2 Turbulence ____________________________________________________ 19
2.2.1 Theoretical investigations on the turbulence __________________________ 19
2.2.1.1 Reynolds decomposed and Reynolds-Averaged-Navier-Stokes equations ___ 20
2.2.1.2 Basic parameters describing turbulence ______________________________ 22
2.2.1.3 Ideal models of turbulence ________________________________________ 23
2.2.1.4 Anisotropy tensor and its invariants ________________________________ 26
2.2.2 Relaminarization of turbulence ____________________________________ 29
2.2.3 Turbulent free jet _______________________________________________ 32
2.2.4 Equations of motion and integral momentum equation _________________ 34
3 MATERIALS & METHODS _____________________________________________________ 36
3.1 High-pressure test section ________________________________________ 36
3.2 High-pressure vessel ____________________________________________ 38
3.3 Pressure transmitting medium _____________________________________ 41
3.3.1 Viscosity change of medium ______________________________________ 41
3.3.2 Density change of medium _______________________________________ 45
3.4 High-Pressure-laser Doppler Anemometry (HP-LDA) __________________ 48
3.4.1 Measurement principle __________________________________________ 48
3.4.1.1 Optic theory ___________________________________________________ 48
3.4.1.2 Doppler effect _________________________________________________ 50 IX

3.4.1.3 Tracer particle __________________________________________________ 54
3.4.1.4 Signal detection and data processing ________________________________ 54
3.4.2 Development of HP-LDA ________________________________________ 56
3.5 High-Pressure-Hot-wire Anemometry (HP-HWA) _____________________ 59
3.5.1 Measurement principle ___________________________________________ 59
3.5.1.1 Construction and geometry of hot-wire probe _________________________ 60
3.5.1.2 Constant current anemometer (CCA) ________________________________ 61
3.5.1.3 Constant temperature anemometer (CTA) ____________________________ 61
3.5.1.4 Constant voltage anemometer (CVA) _______________________________ 62
3.5.1.5 Heat transfer equations for the hot-wire ______________________________ 63
3.5.2 Development of HP-HWA ________________________________________ 65
3.5.3 HP-HWA set-up ________________________________________________ 66
4 RESULTS & DISCUSSION _______________________________________________________ 70
4.1 Results of HP-LDA ______________________________________________ 70
4.1.1 Velocity profile of free jet 72
4.1.2 Axial mean velocity at different pressure ramp ________________________ 82
4.1.3 Statistical analysis of data ________________________________________ 83
4.1.4 The characteristic properties of water flow during the pressurization _______ 86
4.1.5 Comparison of experimental results with numerical results ______________ 89
4.2 Results of HP-HWA _____________________________________________ 91
4.2.1 The variation of fluid parameters during the pressurization ______________ 91
4.2.2 Measurements of velocity fluctuations in the laminar regime _____________ 93
4.2.3 Reverse transition of velocity fluctuations ____________________________ 94
4.2.4 Reverse transition of temperature fluctuations ________________________ 97
4.2.5 Temperature mixture in the vessel __________________________________ 99
4.2.6 Critical parameters for the reverse transition _________________________ 100
5 SUMMARY __________________________________________________________________ 102 X

6 REFERENCES _______________________________________________________________ 106

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