Моделирование неустойчивости Марангони однородной диффузии через межфазную границу в условиях невесомости

Аннотация

В двумерной постановке исследован процесс диффузии поверхностно-активного вещества (ПАВ) сквозь вертикальную межфазную границу в системе двух несмешивающихся жидкостей, заполняющих горизонтальный канал. Изначально плотности базовых жидкостей выравнены по плотности с ПАВ, поэтому все дальнейшие изменения плотности в системе обусловливаются только эффектом контракции. При неоднородной диффузии межфазное натяжение является функцией локальной концентрации ПАВ, что приводит к развитию конвекции Марангони. Вследствие нахождения в системе неконтролируемых поверхностно-активных примесей капиллярное движение зарождается пороговым образом. Показано, что на начальном этапе, несмотря на наличие гравитации, конвекция Марангони имеет вид серии периодически возникающих парных вихрей, симметрично расположенных относительно оси канала (как в условиях невесомости). По мере роста вертикального перепада плотности в канале число пар вихрей сокращается до одной. Для верификации результатов численного моделирования выполнен натурный эксперимент, в ходе которого визуализирована структура течений и полей концентрации ПАВ вблизи межфазной границы. Исследована динамика колебательного режима конвекции. Продемонстрировано качественное совпадение данных численного и натурного экспериментов. Для ряда значений чисел Марангони и Грасгофа приведен вид полей концентрации ПАВ и функции тока в канале, а также зависимость максимального значения функции тока от времени. Обнаружено, что в системе несмешивающихся жидкостей и растворимого ПАВ при условии их равной плотности при достаточно больших числах Марангони Ma≥50000 диффузионный процесс приводит к развитию неустойчивости даже в отсутствие эффекта контракции.