Моделирование неустойчивости Марангони однородной диффузии через межфазную границу в условиях невесомости

Авторы

  • Рудольф Вольдемарович Бирих Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Мария Олеговна Денисова Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Константин Геннадьевич Костарев Институт механики сплошных сред УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.4.35

Ключевые слова:

поверхностно-активное вещество, межфазная граница, диффузия, моделирование невесомости, контракция, конвекция Марангони, колебательный режим

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.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Библиографические ссылки

Конвективные процессы в невесомости / Под ред. В.И. Полежаева. М.: Наука, 1991. 240 с.

Богатырев Г.П., Ермаков М.К., Иванов А.И., Никитин С.А., Павловский Д.С., Полежаев В.И., Путин Г.Ф., Савин С.Ф. Экспериментальное и теоретическое исследование тепловой конвекции в наземной модели конвективного датчика // Изв. РАН. МЖГ. 1994. № 5. С. 67-75. (English version DOI)

Physics of fluids in microgravity / Ed. R. Monti. London: Taylor & Francis, 2001. 624 p.

Plateau J. Experimental and theoretical researches on the figures on equilibrium of a liquid mass withdrawn from the action of gravity // Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution. Washington: Government Printing Office, 1864. P. 207-285.

Косвинцев C.P., Решетников Д.Г. Движение капель при диффузии растворимого ПАВ во внешнюю среду. Эксперимент // Коллоидный журнал. 2001. Т. 63, № 3. С. 350-358. (English version DOI)

Морозов К.И., Лебедев А.В. Бифуркации формы капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле // ЖЭТФ. 2000. Т. 118, № 5. С. 1188-1192. (English version DOI)

Костарев К.Г., Брискман В.А.. Растворение капли с высоким содержанием поверхностно-активного вещества // ДАН. 2001. Т. 378, № 2. С. 187-189. (English version DOI)

Волков П.К. Подобие в задачах гидромеханики невесомости // УФН. 1998. Т. 168, № 12. С. 1323-1329. (English version DOI)

Андреев В.К., Гапоненко Ю.А., Гончарова О.Н., Пухначев В.В. Современные математические модели конвекции. М: Физматлит, 2008. 367 с.

Mizev A.I., Schwabe D. Convective instabilities in liquid layers with free upper surface under the action of an inclined temperature gradient // Phys. Fluids. 2009. Vol. 21. 112102. DOI

Mizev A., Birikh R. Interaction between buoyant and solutocapillary convections induced by a surface-active source placed under the free surface // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2011. Vol. 192. P. 145-153. DOI

Mizev A., Denisova M., Kostarev K., Birikh R., Viviani A. Threshold onset of Marangoni convection in narrow channels // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2011. Vol. 192. P. 163-173. DOI

Денисова М.О., Костарев К.Г., Ошмарина М.В., Торохова С.В., Шмыров А.В., Шмырова А.И. Контракция в неравновесных системах жидкостей // Неравновесные процессы в сплошных средах: Материалы междунар. симпозиума, Пермь, 15-18 мая 2017 г. Пермь: ПГНИУ, 2017. Т. 1. С. 152-155.

Birikh R.V., Briskman V.A., Velarde M.G., Legros J.-C. Liquid interfacial systems: Oscillations and instability. New York-Basel: Marcel Dekker, Inc., 2003. 392 p.

Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. М.-Л.: Химия, 1965. Т. 3. Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы. 1008 с.

Бирих Р.В. Устойчивость однородной нестационарной диффузии ПАВ через плоскую границу раздела жидкостей // Вест. Перм. ун-та. Сер. Физика. 2016. № 1(32). С. 64-70. DOI

Загрузки

Опубликован

2018-12-30

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Бирих, Р. В., Денисова, М. О., & Костарев, К. Г. (2018). Моделирование неустойчивости Марангони однородной диффузии через межфазную границу в условиях невесомости. Вычислительная механика сплошных сред, 11(4), 463-475. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.4.35