Прямое численное моделирование конвекции двойной диффузии при вибрациях
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.3.24Ключевые слова:
конвекция двойной диффузии, вибрации, прямое численное моделирование, смешивающиеся жидкостиАннотация
Численно решается задача о развитии конвекции двойной диффузии в плоском слое при воздействии приложенных извне вибраций. Рассматривается двухслойная система смешивающихся жидкостей, помещённая в вертикальные поля силы тяжести и продольных поступательных вибраций. Первое является генератором конвекции: вследствие различия скоростей диффузии у разных растворённых веществ в слое формируются неустойчиво стратифицированные жидкие области. В качестве растворителя используется вода. Нижний слой образован раствором хлорида натрия, а верхний – раствором глюкозы. Нижний слой имеет более высокую плотность, чем верхний. В начальный момент времени система устойчиво стратифицирована. Задача решается в двумерной нестационарной постановке с применением коммерческого пакета ANSYS Fluent. Изучается изменение в поведении жидкостей под действием вибраций. Исследуются конвективные структуры и профили плотности при различной величине вибрационных ускорений, а также эволюция конвективных характеристик. Характер реакции системы на вибрации анализируется в двух аспектах: глобальном и локальном. Глобальный анализ подразумевает описание процессов, протекающих в масштабах всего слоя, а локальный фокусируется на динамике отдельных конвективных структур. Основной эффект от воздействия вибраций заключается в замедлении конвекции. В глобальном масштабе это выражается в снижении скорости роста конвективных структур; со временем эффект становится более заметным (накапливается). В локальном масштабе при сравнительно невысоких вибрационных ускорениях происходит задержка начала конвекции, а при высоких ускорениях конвективные структуры переориентируются и растут в горизонтальном направлении. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов вибрационного управления системами с реакцией/диффузией.
Скачивания
Библиографические ссылки
Wolf G.H. The dynamic stabilization of the Rayleigh–Taylor instability and the corresponding dynamic equilibrium // Z. Physik. 1969. Vol. 227. P. 291-300. https://doi.org/10.1007/BF01397662
Wolf G.H. 9.1. Dynamic stabilization of hydrodynamic interchange instabilities – a model for plasma physics // AIP Conf. Proc. 1970. Vol. 1. P. 293-304. https://doi.org/10.1063/1.2948512
Wolf G.H. Dynamic stabilization of the Rayleigh–Taylor instability of miscible liquids and the related “frozen waves” // Phys. Fluids. 2018. Vol. 30. 021701. https://doi.org/10.1063/1.5017846
Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection. New York: Wiley, 1998. 358 p.
Гельфгат А.Ю. Развитие и неустойчивость стационарных конвективных течений в нагреваемой снизу квадратной полости в поле вертикально направленных вибрационных сил // Изв. АН СССР. МЖГ. 1991. № 2. С. 9-18. (English version https://doi.org/10.1007/BF01050134)
Carbo R.M., Smith R.W.M., Poese M.E. A computational model for the dynamic stabilization of Rayleigh–Bénard convection in a cubic cavity // J. Acoust. Soc. Am. 2014. Vol. 135. P. 654-668. https://doi.org/10.1121/1.4861360
Swaminathan A., Garrett S.L., Poese M.E., Smith R.W.M. Dynamic stabilization of the Rayleigh–Bénard instability by acceleration modulation // J. Acoust. Soc. Am. 2018. Vol. 144. P. 2334-2343. https://doi.org/10.1121/1.5063820
Иванова А., Козлов В. Опыты по вибрационной механике. Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2013. 120 с.
Неволин В.Г. Параметрическое возбуждение волн на границе раздела // Изв. АН СССР. МЖГ. 1977. № 2. С. 167-170. (English version https://doi.org/10.1007/BF01050704)
Владимиров В.А. Параметрический резонанс в стратифицированной жидкости // ПМТФ. 1981. № 6. С. 168-174. (English version https://doi.org/10.1007/BF00906125)
Секерж-Зенькович С.Я. Параметрическое возбуждение волн конечной амплитуды на границе раздела двух жидкостей разных плотностей // ДАН СССР. 1983. Т. 272, № 5. С. 1083-1086.
Benielli D., Sommeria J. Excitation and breaking of internal gravity waves by parametric instability // J. Fluid Mech. 1998. Vol. 374. P. 117-144. https://doi.org/10.1017/S0022112098002602
Jalikop S.V., Juel A. Steep capillary-gravity waves in oscillatory shear-driven flows // J. Fluid Mech. 2009. Vol. 640. P. 131 150. https://doi.org/10.1017/S0022112009991509
Иванова А.А., Козлов В.Г. Граница раздела песок–жидкость при вибрационном воздействии // Изв. РАН. МЖГ. 2002. № 2. С. 120-138. (English version https://doi.org/10.1023/A:1015866518221)
Gaponenko Y., Torregrosa M., Yasnou V., Mialdun A., Shevtsova V. Dynamics of the interface between miscible liquids subjected to horizontal vibration // J. Fluid Mech. 2015. Vol. 784. P. 342-372. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.586
Shevtsova V., Gaponenko Y.A., Yasnou V., Mialdun A., Nepomnyashchy A. Two-scale wave patterns on a periodically excited miscible liquid–liquid interface // J. Fluid Mech. 2016. Vol. 795. P. 409-422. https://doi.org/10.1017/jfm.2016.222
Zagvozkin T., Vorobev A., Lyubimova T. Kelvin-Helmholtz and Holmboe instabilities of a diffusive interface between miscible phases // Phys. Rev. E. 2019. Vol. 100. 023103. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.023103
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. 023001. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.023001
Mizev A.I., Mosheva E.A., Bratsun D.A. Extended classification of the buoyancy-driven flows induced by a neutralization reaction in miscible fluids. Part 1. Experimental study // J. Fluid Mech. 2021. Vol. 916. A22. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.201
Cooper C.A., Glass R.J., Tyler S.W. Experimental investigation of the stability boundary for double-diffusive finger convection in a Hele-Shaw cell // Water Resour. Res. 1997. Vol. 33. P. 517-526. http://dx.doi.org/10.1029/96WR03811
Cooper C.A., Glass R.J., Tyler S.W. Effect of buoyancy ratio on the development of double-diffusive finger convection in a Hele-Shaw cell // Water Resour. Res. 2001. Vol. 37. P. 2323-2332. https://doi.org/10.1029/2001WR000343
Sorkin A., Sorkin V., Leizerson I. Salt fingers in double-diffusive systems // Physica A. 2002. Vol. 303. P. 13-26. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(01)00396-X
Pringle S.E., Glass R.J., Cooper C.A. Double-diffusive finger convection in a Hele-Shaw cell: An experiment exploring the evolution of concentration fields, length scales and mass transfer // Transport in Porous Media. 2002. Vol. 47. P. 195-214. https://doi.org/10.1023/A:1015535214283
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. P. 9739-9744. https://dx.doi.org/10.1021/jp202201e
Aatif H., Allali K., El Karouni K. Influence of vibrations on convective instability of reaction fronts in porous media // Math. Model. Nat. Phenom. 2010. Vol. 5. P. 123-137. https://doi.org/10.1051/mmnp/20105508
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. P. 575-585. https://doi.org/10.1007/s12217-016-9513-x
Mosheva E., Kozlov N. Study of chemoconvection by PIV at neutralization reaction under normal and modulated gravity // Exp. Fluids. 2021. Vol. 62. 10. https://doi.org/10.1007/s00348-020-03097-0
Kozlov N. Numerical study of double-diffusive convection at vibrations // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 1809. 012023. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1809/1/012023
Detwiler R.L., Rajaram H., Glass R.J. Solute transport in variable-aperture fractures: An investigation of the relative importance of Taylor dispersion and macrodispersion // Water Resour. Res. 2000. Vol. 36. P. 1611-1625. http://dx.doi.org/10.1029/2000WR900036
Nield D.A., Bejan A. Convection in porous media. New-York: Springer, 2013. 778 p.
Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Том 3. Химическое равновесие и кинетика, свойства растворов, электродные процессы. М.: Химия, 1965. 1008 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.