Особенности формирования волн плотности в двухслойной системе смешивающихся реагирующих жидкостей
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.3.23Ключевые слова:
волны плотности, хемоконвективная неустойчивость, реакция нейтрализации, нелинейная диффузия, смешивающиеся жидкостиАннотация
Возникновение внутренней волны плотности в двухслойной системе, состоящей из водных растворов кислоты и основания и находящейся в вертикальной ячейке Хеле-Шоу, исследуется теоретически и экспериментально. При контакте реагентов начинается экзотермическая реакция нейтрализации с образованием продукта реакции - водного раствора соли. Процесс сопровождается сильной зависимостью коэффициентов диффузии реагентов от их концентрации, что приводит к появлению локального кармана с пониженной плотностью, в котором развивается ячеистая конвекция. Обнаружено, что при определённом соотношении концентраций карман схлопывается, и получает начало хемоконвективный режим, при котором формируется плоская волна плотности, аномально быстро распространяющаяся в среде. Экспериментально показано, что в её спутном потоке происходит активное перемешивание реагентов и непрерывный отвод продукта, что обеспечивает высокую скорость реакции, полное протекание которой занимает всего несколько минут. Это отличается от известного ранее диффузионного режима, в котором реакция может длиться от нескольких часов до нескольких суток. Существование волны плотности подтверждено и детально рассмотрено для различных сочетаний пар кислоты (HNO3) и гомологического ряда гидроксидов щелочных металлов (LiOH, NaOH, KOH), что подчёркивает универсальность действующего механизма неустойчивости. Показано, что предложенный ранее безразмерный параметр, который представляет собой отношение плотности реакционной зоны к плотности верхнего реагента, является критерием подобия для всех исследованных сочетаний пар реагентов и определяет границу , в пределах которой эффект возможен. Предложена его математическая модель, которая при определённых допущениях может быть формально сведена к уравнениям Сен-Венана для поверхностных гравитационных волн на «мелкой воде», допускающим решения в виде нелинейных волн ударного типа. Представлены результаты численных расчётов динамики волны плотности для разных значений управляющего параметра, изучен переход от диффузионно-управляемых процессов к управляемым конвективно. Проводится сравнение данных вычислительных и лабораторных экспериментов.
Скачивания
Библиографические ссылки
Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. 272 с.
Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 512 с.
Pismen L.M. Patterns and interfaces in dissipative dynamics. Berlin/Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2006. 373 p.
Quincke G. Ueber periodische Ausbreitung an Flussigkeitsoberflachen und dadurch hervorgerufene Bewegungserscheinungen // Ann. Phys. 1888. Vol. 271. No. 12. P. 580-642. DOI
Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. 700 с.
Кутепов А.М., Полянин А.Д., Запрянов А.Д., Вязьмин А.Д., Казенин Д.А. Химическая гидродинамика. Справочное пособие. М.: Квантум, 1996. 336 с.
Dupeyrat M., Nakache E. 205 – Direct conversion of chemical energy into mechanical energy at an oil water interface // Bioelectrochem. Bioenerg. 1978. Vol. 5. No. 1. P. 134-141. DOI
Belk M., Kostarev K.G., Volpert V., Yudina T.M. Frontal photopolymerization with convection // J. Phys. Chem. B. 2003. Vol. 107. No. 37. P. 10292-10298. DOI
Брацун Д.А., Де Вит А. Об управлении хемоконвективными структурами в плоском реакторе // ЖТФ. 2008. Т. 78, № С. 6-13. (English version DOI)
Карлов С.П., Казенин Д.А., Баранов Д.А., Волков А.В., Полянин Д.А., Вязьмин А.В. Межфазные эффекты и макрокинетика хемосорбционных процессов при поглощении CO2 водными растворами щелочей и аминов // Журн. физ. химии. 2007. Т. 81, № 5. С. 775-791. (English version DOI)
Thomson P.J., Batey W., Watson R.J. Interfacial activity in two phase systems UO2(NO3)2/Pu(NO3)4/HNO3-H2O-TBP/OK // Proc. of the Extraction ’84: Symposium on Liquid-Liquid Extraction Science. Dounreay, Scotland, November 27-29, 1984. Vol. 88. P. 231-244.
Wylock C., Rednikov A., Haut B., Colinet P. Nonmonotonic Rayleigh-Taylor instabilities driven by gas-liquid CO2 chemisorption // J. Phys. Chem. B. 2014. Vol. 118. No. 38. P. 11323-11329. DOI
Asad A., Yang Y.H., Chai C., Wu J.T. Hydrodynamic Instabilities Driven by Acid-base Neutralization Reaction in Immiscible System // Chin. J. Chem. Phys. 2010. Vol. 23. No. 5. P. 513-520. DOI
Almarcha C., R’Honi Y., De Decker Y., Trevelyan P.M.J., Eckert K., De Wit A. Convective mixing induced by acid-base reactions // J. Phys. Chem. B. 2011. Vol. 115. No. 32. P. 9739-9744. DOI
Eckert K., Acker M., Shi Y. Chemical pattern formation driven by a neutralization reaction. I. Mechanism and basic features // Phys. Fluid. 2004. Vol. 16. No. 2. P. 385-399. DOI
Almarcha C., Trevelyan P.M.J., Riolfo L.A., Zalts A., El Hasi C., D’Onofrio A., De Wit A. Active role of a color indicator in buoyancy-driven instabilities of chemical fronts // J. Phys. Chem. Lett. 2010. Vol. 1. No. 4. P. 752-757. DOI
Eckert K., Grahn A. Plume and finger regimes driven by an exothermic interfacial reaction // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. No. 22. P. 4436-4439. DOI
Trevelyan P.M.J., Almarcha C., De Wit A. Buoyancy-driven instabilities around miscible A+B→C reaction fronts: A general classification // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 91 No. 2. 023001. DOI
Bratsun D., Kostarev K., Mizev A., Mosheva E. Concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 92. No. 1. 011003(R). DOI
Аитова Е.В., Брацун Д.А. Костарев К.Г., Мизев А.И., Мошева Е.А. Конвективная неустойчивость в двухслойной системе реагирующих жидкостей с диффузией, зависящей от концентрации компонентов // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 4. С. 345-358. DOI
Bratsun D.A., Stepkina O.S., Kostarev K.G., Mizev A.I., Mosheva E.A. Development of concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids under influence of constant or variable inertia // Microgravity Sci. Technol. 2016. Vol. 28. No. 6. P. 575-585. DOI
Bratsun D., Mizev A., Mosheva E., Kostarev K. Shock-wave-like structures induced by an exothermic neutralization reaction in miscible fluids // Phys. Rev. E. 2017. Vol. 96. No. 5. 053106. DOI
Брацун Д.А. Внутренние волны плотности ударного типа, индуцированные хемоконвекцией в смешивающихся реагирующих жидкостях // ПЖТФ. 2017. Т. 43, № 20. С. 69-77. DOI
Baroud C.N., Okkels F., Ménétrier L., Tabeling P. Reaction-diffusion dynamics: Confrontation between theory and experiment in a microfluidic reactor // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 67. No. 6. 060104(R). DOI
Koo Y.E.L., KopelmanR. Space-and time-resolved diffusion-limited binary reaction kinetics in capillaries: experimental observation of segregation, anomalous exponents, and depletion zone // Stat. Phys. 1991. Vol. 65. No. 5-6. P. 893-918. DOI
Koza Z., Taitelbaum H. Motion of the reaction front in the A+ B→C reaction-diffusion system // Rev. E. 1996. Vol. 54. No. 2. R1040(R). DOI
Rongy L., Trevelyan P.M.J., De Wit A. Dynamics of A+ B→C reaction fronts in the presence of buoyancy-driven convection // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101. No. 8. 084503. DOI
Rongy L., Trevelyan P.M.J., De Wit A. Influence of buoyancy-driven convection on the dynamics of A+ B→ C reaction fronts in horizontal solution layers // Eng. Sci. 2010. Vol. 65. No. 7. P. 2382-2391. DOI
Демин В.А., Попов Е.А. Об оценке числа Дамкёлера в хемоконвективных задачах // Вест. Перм. ун-та. Сер. Физика. 2015. Т. 2, № 30. С. 44-50.
Isaachsen Innere Vorgänge in strömenden Flüssigkeiten und Gasen // Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure. 1911. Vol. 55. P. 428-431.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. М.: Наука, 1986. Т. VI. Гидродинамика. 736 с.
Te Chow V. Open-channel hydraulics. New York: McGraw-Hill, 1959. 698 p.
Петросян А.С. Дополнительные главы теории мелкой воды. М.: ИКИ РАН, 2014. 64 с.
Bratsun D.A. On Rayleigh-Bénard mechanism of alignment of salt fingers in reactive immiscible two-layer systems // Microgravity Sci. Technol. 2014. Vol. 26. No. 5. P. 293-303. DOI
Зельдович Я.Б., Семенов Н.Н. Теория горения и детонации газов. М.: АН СССР, 1944. 71 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.