Fluid Flow Handouts

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26/10/2010 1 Lauren Gust October  26, 2010 Laminar and Turbulent Flow  Laminar flow:  Capillaries, microfluidics, low  velocities  Prediction of  fluid movement and streamlines   T ur u ent  ow:  Aerodynamics  House piping  Energy  storage  Heat exchangers M  Van  Dyke,  “An   Album of  Fluid Motion” (Parabolic Press, Stanford,  CA, 1982), p. 89. Vortex Shedding  Major loss  of  energy  in flying objects  Airplanes, flag  waving US Geological  Survey   Website,  http://landsat.gsfc.nasa.go/earthasart/vortices.html Objectives  To  determine the  velocity  profile  for  laminar, turbulent,  and transition flow regimes  To  study   vortex  shedding  from cylindrical  objects in air  

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26/10/20

 

Lauren Gust

October 26, 2010

Laminar and Turbulent Flow Laminar flow:

 Capillaries, microfluidics, low  velocities

 Prediction of  fluid movement and streamlines

  Tur u ent  ow:

  Aerodynamics 

 House piping

 Energy  storage 

 Heat exchangers

M  Van Dyke, “An  Album of  Fluid Motion” 

(Parabolic Press, Stanford, CA, 1982), p. 89.

Vortex Shedding Major loss of  energy  in flying objects

  Airplanes, flag  waving

US Geological Survey   Website, http://landsat.gsfc.nasa.go/earthasart/vortices.html

Objectives To determine the  velocity  profile for laminar, 

turbulent, and transition flow regimes

 To study   vortex shedding from cylindrical objects in air 

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Reynolds Number

 ρ = density  (kg/m^3) v  =  velocity  (m/s)

 v

 AvvD Re

     2

 

 μ = viscosity (Pa-s) D 

 Ratio of  viscous forces to inertial  forces

 Low Re (<~2300) is the laminar  regime

 High Re (>~2300) is the turbulent regime

Laminar Flow

 Straight streamlines

 Minimal lossesM  Van Dyke, “An  Album of  Fluid Motion” 

(Parabolic Press, Stanford, CA, 1982), p. 89.

Laminar Velocity Distribution

 

 

 

  

 

2

0 1)( R

r ur u

 Smooth streamlines lead 

to parabolic distribution

 Can be solved analytically  

from the Navier‐Stokes 

equation A.  J. Smits,  A Physical  Introduction to Fluid   Mechanics, 

 John  Wiley  & Sons, New  York, 2000)

Turbulent Flow

 Mixed streamlines  with many   vortices

 Significant lossesM  Van Dyke, “An  Album of  Fluid Motion” 

(Parabolic Press, Stanford, CA, 1982), p. 89.

Turbulent Velocity Distribution Changes over time, so use time‐averaged flow

 No analytic form so use correlations derived from 

experimental data

 A.  J. Smits,  A Physical  Introduction to Fluid   Mechanics,  John  Wiley  & Sons, New  York, 2000)

Turbulent Velocity Distribution

  n

ave

 R

n

nnur u

1

21

2

121)(

 

 

  

 

 

 

 

   

 Data determined from numerical correlations performed on experimental data

)ln(/535.6085.1

)ln(

 Re

 Ren

MV  Zagarola,  AE Perry, and  AJ Smits, “Log laws or power laws: The scaling in the overlap 

region”, Phys. Fluids, 9(7):2094‐2100,  July, 1997.

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Entrance Considerations   Assume that the flow is  fully developed : the 

measuring position is far enough from the entrance of  the pipe that entrance effects are irrelevant

    ,  e   =0.03

  For turbulent flow,  vortices lead to more mixing, shorter entry  lengths: Le=10D‐40D

Vortex Shedding   Bodies in flow exhibit vortex shedding: a stream of  

 vortices trails behind the object

  These  vortices have a constant frequency, dependent 

B. J. Hughey and I. W. Hunter. “Fluid Flow Experiment Prelab”: 2.671 Course Material, MIT, Spring 2010 (unpublished).

Strouhal Number

 

v

 fd Sr  

  mens on ess parame er  or  e  requency  o   vor ex propagation

  Find Sr from correlations  with Re

  To measure the frequency, read the  velocity  data in 

the  wake of  a disturbance rod and take the FFT

  Since the detector often reads both  vortex streams, 

expect peaks at f  and 2f 

Strouhal Number Correlations

B. J. Hughey and I. W. Hunter. “Fluid Flow Experiment Prelab”: 2.671 Course Material, MIT, Spring 2010 (unpublished).

Experiment Setup

Flow tube Anemometer

Stepper motor

Potentiometer  and slide

DMMs

Pitot tube holder

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Linear Potentiometer and Motor Anemometer is driven on a linear 

slide using a stepper motor.

 Distance moved is correlated 

using  voltage output from a 

linear potentiometer.

Pitot Tube Flow measurement based on the Bernoulli equation

 Neglect pipe friction

 The gas  velocity  is given by:

1212

PPuug

g     

Hot Film Anemometer Thin metal film is heated by  a power supply 

 Increased gas  velocity  across the film requires more  voltage to maintain a constant temperature

  Anemometer  vo tage  s re ate   to  ow  ve oc ty    y:

ganem   uC C V  10

2

Anemometer Calibration Low‐speed (≤ 0.1 m/s) and high speed (2-4 m/s)

measurements were used to determine the calibration

constants C 0 and C 1

VanemVpress

8 V

N2 Gas, velocity ug

P2

2

1 P1  = ?

  ug

Pa/mV

C0  , C 1

)(2

121  PPug

  

ganem   uC C V  10

2

B. J. Hughey and I. W. Hunter. “Fluid Flow Experiment Prelab”: 2.671 Course Material, MIT, Spring 2010 (unpublished).

Calibration Constants

C0 = 4.791 V2/√m/s

C1 = 6.634 V2ganem   uC C V 10

2

Measurement of  Velocity Profiles Measurements  were taken at 20 and 75 SLPM

 Using the stepper motor, the anemometer  was moved 

across the flow tube and data  was taken

  Ve oc ty  pro es  were grap e   or eac   ow rate an  

the Reynolds number  was calculated for each profile

 Entry  length  was calculated to determine  whether flows  were fully  developed.

78.40 D

 L

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Vortex Shedding Measurements A  control measurement  was taken at 35 SLPM  with no 

cylindrical obstruction.

 A  series of  cylinders (1.59 mm – 4.75 mm)  were 

used to determine anemometer position

 Data  was taken and a Fourier 

transform  was performed to 

determine peak frequency 

Laminar Velocity Profile

 Avg.  velocity  = 0.17±0.16 m/s

 Re = 470±450

 Le = 14±13D Fully  developed

Turbulent Velocity Profile

 Average  velocity  = 13.8±2.8 m/s

 Re = (3.93±0.79)x104

 Le = (10-40)D

 Fully  developed

Vortex Shedding

Peak frequency 

1.5 mm cylinder

Doubling frequency 

Strouhal Numbers

Diameter(mm) ReynoldsNumber

Predicted Strouhal Number

MeasuredStrouhal Number

1.59 70.53 0.254 0.094±0.046

2.38 105.73 0.259 0.090±0.044

3.15 140.05 0.261 0.109±0.053

4.75 211.02 0.240 0.136±0.066

 Not an exact correlation between predicted and 

measured  values, but correct order of  magnitude is as good as can be expected

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Conclusion Laminar and turbulent profiles fit theoretical profiles

 Strouhal number in  vortex shedding gave order of  magnitude estimates

    xper menta  wea nesses

 Noise in data

 Anemometer motion

 Air currents in environment

 We can use our data to do analysis of  laminar and turbulent systems.

 Future experiments

AcknowledgementsThe authors  would like to thank Robert Truax and Dr. Barbara Hughey for their assistance in collecting and 

analyzing data and the generous donors  who provided 

lounge.