Instability due to Viscosity Stratification Downstream of a Centerline Injector

Authors


Abstract

A common injector geometry upstream of a static mixer is the centerline injector. A flow instability can arise due to viscosity differences between the injected core-flow and the outer co-flow. This instability can adversely affect the effectiveness of the mixing operation. An experimental investigation of miscible viscosity-stratified flow in a circular geometry was performed using Laser Induced Fluorescence (LIF) and Particle Image Velocimetry (PIV). The experimental results for the stable region agree with the analytical results. The unstable region exhibits different modes depending on the viscosity ratio, volume flux ratio, and Reynolds number. The modes include wavy core-flow with fissures and wavy core-flow with core breakup. The time-averaged experiment velocity profiles for the unstable core indicate a broadening of the jet at the centerline, which is consistent with the LIF visualization.

Abstract

L'injecteur centré est une géométrie d'injection commune en amont des mélangeurs statiques. Une instabilité de l'écoulement peut survenir en raison des différences de viscosité entre l'écoulement piston injecté et le cocourant extérieur. Cette instabilité peut nuire à l'efficacité de l'opération de mélange. On a donc mené une étude expérimentale pour un écoulement biphasique miscible stratifié par la viscosité dans une géométrie circulaire basée sur la fluorescence induite par laser (LIF) et la vélocimétrie à imagerie de particules (PIV). Les résultats expérimentaux pour la région stable concordent avec les résultats analytiques. La région instable montre différents modes qui dépendent du rapport de viscosité, du rapport de flux volumique et du nombre de Reynolds. Ces modes comprennent l'écoulement piston à vagues avec fissures et l'écoulement piston avec vagues avec rupture du piston. Les profils de vitesse expérimentaux moyennés dans le temps pour le piston instable indiquent un élargissement du jet à la ligne de centre qui est cohérent avec la visualisation par LIF.

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