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Turbulent structure of isothermal and nonisothermal liquid metal pipe flow

1974; Elsevier BV; Volume: 17; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(74)90044-1

1879-2189

L.E. Hochreiter, Alexander Sesonske,

Advanced Sensor Technologies Research

The structure of fully-developed mercury pipe flow, with and without heat transfer, was studied at a Reynolds number of 50000 using a hot-film anemometer. Traverses were made in a 1–434 in. dia, vertical, heated test section at a constant wall heat flux of 3820 Btu/hft2. Axial turbulent velocity fluctuation measurements in isothermal pipe flow were made with both x-sensor und single-sensor hot-film probes. The radial turbulent velocity fluctuation intensity and the turbulent shear stress were also measured with an x-sensor probe. General agreement of the velocity results with corresponding measurements made in air indicates that the mercury flow turbulent velocity structure is similar to other fluids. The production and dissipation of turbulent kinetic energy were calculated from both single sensor and x-sensor data and were found to agree closely with the air data of Laufer. Turbulent temperature fluctuations, measured by using the hot-film anemometer as a resistance thermometer, were found to agree with the results of other measuring techniques. The turbulent axial heat flux, ρcpuθ, and the turbulent radial heat flux, ρcpurθ, were also measured with both single and x-sensor hot-film probes using a modified Kovasznay method to separate temperature and velocity sensitivities. The combination of relatively poor velocity sensitivity combined with the large temperature sensitivity and superimposed axial free convection resulted in uncertain values of uxθ. The measured values of urθ were unusually large in the wall region but indicated that convective and conductive transport were nearly equal in the turbulent core region. On étudie à l'aide d'un anémométre à füm chaud l'écoulement du mercure dans un tube. Avec ou sans transfert de chaleur, à un nombre de Reynolds de 50.000. On réalise une section de mesure chauffée à un flux constant de 12044 W/m2 pour un diametre de 3,64cm. Les mesures de fluctuation de vitesse axiale dans l'écoulement isotherme sont faites avec des jauges à film chaud à éléments simples ou croisés. L'accord général avec les résultats correspondant au cas de l'air indique que l'écoulement turbulent du mercure est semblable à celui des autres fluides. La production et la dissipation de l'énergie cinétique turbulente sont calculées à partir des résultats des mesures et s'accordent avec les résultats de Laufer pour l'air. Les fluctuations de température mesurées avec l'anémométre à film chaud utilisé en résistance thermométrique, s'accordent avec les résultats des autres techniques de mesure. Le flux thermique axial turbulent ρcpuθ et le flux thermique radial (ρcpurθ) sont mesurés a l'aide des sondes à film chaud -simples et croisées—avec une méthode de Kovasznay modifiée pour séparer les sensibilités à la température et à la vitesse. La combinaison de la sensibilité assez faible à la vitesse et de la grande sensibilité à la température, et l'existence d'une convection naturelle axiale surajoutée ont pour résultat une incertitude suruxθ. Les valeurs mesurées de urθ sont inhabituellement élevées dans la région de la paroi mais les transports convectifet conductifsont presque égaux. Die Struktur einer voll entwickelten Quecksilber-Rohrströmung, mit und ohne Wärmeübertragung, wurde bei Reynolds-Zahlen von 50000 untersucht mit Hilfe eines Heisslilmanemometers. Quermessungen wurden durchgeführt in einem senkrechten, beheizten Testabschnitt von 36,4 mm Durchmesser bei einem konstanten Wärmestrom durch die Wand von 1,2 W/cm2. Die Messungen der Azialgeschwindigkeit der turbulenten isothermen Rohr-Strömung wurden sowohl mit einer x- Sonde als auch mit Einzelsonden gemacht. Die Radialgeschwindigkeit und die Schubspannung der turbulenten Strömung wurde ebenfalls mit einer x- Sonde gemessen. Allgemein stimmen die Geschwindigkeitsmessungen mit Messungen in Luft überein und zeigen, dass die Struktur der turbulenten Quecksilberströmung mit der anderer Flüssigkeiten vergleichbar ist. Entstehung und Aullösung der turbulenten kinetischen Energie wurden aus Einzelsonden und x- Sonden Daten berechnet und stimmen gut mit den Daten für Luft nach Laufer überein. Die Temperatur der turbulenten Strömung, gemessen mit einem Heissfilmanemometer und einem Widerstandsthermometer, stimmt mit den Ergebnissen aus anderen Messmethoden gut überein. Der turbulente axiale Wärmestrom, ρcpu1θ1 und der turbulente radiale Wärmestrom, ρcpu1rθ1 wurde ebenfalls mit Einzelund x- Heissfilmsonden gemessen unter Benützung einer modifizierten Kovasznay -Methode, um die Temperatur—und Geschwindigkeitsempfindlichkeiten zu trennen. Die Kombination einer geringen Geschwindigkeits- mit einer grossen Temperaturempfindlichkeit und die überlagerung der axialen Konvektion liefern streuende Werte für uxθ. Die gemessenen Werte für urθ wurden in Wandnähe ungewöhnlich gross, zeigen aber, dass Konvektions- und Leitungsanteil in der Mitte des turbulenten Gebiets fast gleich sind. C пoмoщью нлeнoчнoгo тePмoaнeмoмeтPa иccлeдoвaлacь cтPyктyPa пoлнocтью Paзвитoгo тeчeния Pтyти в тPyбe пPи нaлнчии н oтcyтcтвии пePeнoca тeплa и чиcлe Peйнoльдca, Paвнoм 50 000. ИзмePeния нPoвoдилиcь нoнкPeк вePтикaльнoгo нaгPeвaeмoгo oпытнoгo yчacткa диaмeтPoм 1,434 дюймa нPн пocтoяннoм тeнлoвoм пoтoкe нa cтeнкe, Paвнoм 3820 gBTEчac фyт2. ИзмePeния тyPбyлeнтныч кoлeбaний cкoPocти вдoль ocи пPи изoтePмнчecкoм тeчeнии в тPyбe нPoизнoдилиcь c нoмoщьюo плeнoчнoгo зoндa c ч-дaтчикoм, a тaкжe зoндoм c eдиничным дaтчнкoм. C пoмoщью ч-дaтчикa измePялиcь тaкжe интeнcивнocть Paдиaль ныч тyPбyлeнтныч кoлeбaний cкoPocти и тyPбyлeнтнoe кacaтeльнoe нaпPяжeниe. oбщee coвпaдeниe Peqzyльтaтoв c cooтвeтcтвyюoщими измePeниями, выпoлнeнными в вoздyчe, yкaзывaeт нa тo, чтo тyPбyлeнтнaя cтPyктyPa cкoPocти тeчeния Pтyти aнa лoгичнa тeчeниям дPyгич жидкocтий. Beличинa и диccнпaция тyPбyлeнтнoй кинeтичecкoй энePгии Paccчитывaлиcь нo дaнным eднничнoгo дaтчнкa и ч-дaтчикa. Haйдeнo, чтo Peзyльтaты близкo coглacyюoтcя c дaннымн ЛayфePa для вoздyчa. Haйдeнo, чтo тyPбyлeнтныe кoлeбaния тeмнePaтyPы, измePeнныe c пoмoщью плeнoчнoгo тePмoaнeмoмeтPa, иcпoльзyeмoгo в кaчecтвe тePмoмeтPa coнPoтивлeния, coглacyютcя c Peзyльтaтaми, пoлyчeнными дPyгими измePитeльнымн мeтoдaми. TyPбyлeнтный тeплoвoй пoтoк вдoль ocи ρcpu‘θ’ и тyPбyлeятный Paдиaльный тeплoвoй пoтoк ρcpu‘θ’ тaкжe измePнлиcь тePмoзoндaми c eдиничным дaтчикoм и ч-дaтчикoм мoдифициPoвaнным мeтoдoм Koвaжнoгo для Paздeльнoгo oяPeдeлeния тeмпePaтyPы и cкoPocти. B Peзyльтaтe oтнocитeльнo cлaбoй чyвcтвитeльнocти к cкoPocти и бoльшoй чyвcтвитeльнocти к тeмeпePaтyPe и нaлoжeния aкcиaльнoй cвoбoднoй кoнвeкции пoлyчeны нeoнPeдeлeнныe знaчeния ux ‘θ’. ПPи измePeнии нoлyчeны нeoбычяo бoльшиe знaчeния ur ‘θ’ в нPиcтeнoчнoй oблacти, кoтoPыe yкaзывaют нa тo, чтo в зoнe тyPбyлeнтнoгo ЯдPa кoнвeктивный и кoндyктивный нePeнoc пoчти oдинaкoвы.