Конвективная неустойчивость в двухслойной системе реагирующих жидкостей с диффузией, зависящей от концентрации компонентов
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.29Ключевые слова:
конвективная неустойчивость, реакция нейтрализации, нелинейная диффузия, смешивающиеся жидкостиАннотация
Экспериментально и теоретически изучено развитие конвективной неустойчивости в двухслойной системе смешивающихся жидкостей, помещённых в узкий вертикальный зазор. Верхний и нижний слои образованы, соответственно, водными растворами кислоты и основания. При приведении жидкостей в контакт в системе начинается фронтальная реакция нейтрализации. В процессе проведения экспериментальных исследований выявлен новый тип конвективной неустойчивости, характерной особенностью которой является пространственная локализация и периодичность возникающих конвективных структур, что в системах смешивающихся жидкостей наблюдается впервые. Предложена математическая модель явления, включающая систему уравнений реакции-диффузии-конвекции, записанных в приближении Хеле-Шоу. Показано, что воспроизведение в численном эксперименте обнаруженной неустойчивости возможно только при учёте зависимости коэффициентов диффузии как реагирующих компонентов, так и продукта реакции от их концентрации. Представлены результаты численных расчётов основного состояния, нейтральных кривых и нелинейных режимов конвекции. Данные лабораторного и численного моделирования демонстрируют хорошее согласование.
Скачивания
Библиографические ссылки
Quincke G. Ueber periodische Ausbreitung an Flussigkeitsoberflächen und dadurch hervorgerufene Bewegungserscheinungen // Annalen der Physik. - 1888. - Vol. 271, no. 12. - P. 580-642. DOI
2. Dupeyrat M., Nakache E. Direct conversion of chemical energy into mechanical energy at an oil water interface // Bioelectroch. Bioener. - 1978. - Vol. 5, no. 1. - P. 134-141. DOI
3. Колесников A.K. Тепловой взрыв в слое с границами разной температуры при поперечном движении реагента // Физика горения и взрыва. - 1984. - Т. 20, № 3. - С. 64-65.
4. Thomson P.J., Batey W. Watson R.J. Interfacial activity in the two phase systems UO2(NO3)2/Pu(NO3)4/HNO3-H2O-TBP/OK // Extraction ’84. - 1984. - P. 231-244. DOI
5. 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
6. Bratsun D.A., De Wit A. Control of chemoconvective structures in a slab reactor // Theor. Math. Phys. - 2008. - Vol. 53, no. 2. - P. 146-153. DOI
7. Bratsun D.A., De Wit A. Buoyancy-driven pattern formation in reactive immiscible two-layer systems // Chem. Eng. Sci. - 2011. - Vol. 66, no. 22. - P. 5723-5734. DOI
8. Eckert K., Acker M., Shi Y. Chemical pattern formation driven by a neutralization reaction. Mechanism and basic features // Phys. Fluids. - 2004. - Vol. 16, no. 2. - P. 385-399. DOI
9. Bratsun D.A. On Rayleigh-Bénard mechanism of alignment of salt fingers in reactive immiscible two-layer systems // Microgravity Sci. Tec. - 2014. - Vol. 26, no. 5. - P. 293-303. DOI
10. Shi Y., Eckert K. Orientation-dependent hydrodynamic instabilities from chemo-Marangoni cells to large scale interfacial deformations // Chinese J. Chem. Eng. - 2007. - Vol. 15, no. 5. - P. 748-753. DOI
11. Bratsun D.A., De Wit A. On Marangoni convective patterns driven by an exothermic chemical reaction in two-layer systems // Phys. Fluids. - 2004. - Vol. 16, no. 4. - P. 1082-1096. DOI
12. Karlov S.P., Kazenin D.A., Vyazmin A.V. The time evolution of chemo-gravitational convection on a brim meniscus of wetting // Physica A. - 2002. - Vol. 315, no. 1-2. - P. 236-242. DOI
13. 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
14. Аитова Е.В., Брацун Д.А. Точное решение задачи о хемоконвективной устойчивости двухфазной системы жидкость-газ в присутствии адсорбируемого реагента // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2013. - № 4. - С. 5-17.
15. Turner J.S. Double-diffusive phenomena // Annu. Rev. Fluid Mech. - 1974. - Vol. 6. - P. 37-54. DOI
16. 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
17. Almarcha C., Trevelyan P.M.J., Grosfils P., De Wit A. Chemically driven hydrodynamic instabilities // Phys. Rev. Lett. - 2010. - Vol. 104, no. 4. - 044501. DOI
18. 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
19. Carballido-Landeira J., Trevelyan P.M.J., Almarcha C., De Wit A. Mixed-mode instability of a miscible interface due to coupling between Rayleigh-Taylor and double-diffusive convective modes // Phys. Fluids. - 2013. - Vol. 25, no. 2. - 024107. DOI
20. Ash R., Espenhahn S.E. Transport through a slab membrane governed by a concentration-dependent diffusion coefficient. Numerical solution of the diffusion equation: ‘early-time’ and ‘√t’ procedures // J. Membrane Sci. - 2000. - Vol. 180, no. 1. - P. 133-146. DOI
21. Bowen W.R., Williams P.M. Prediction of the rate of cross-flow ultrafiltration of colloids with concentration-dependent diffusion coefficient and viscosity - theory and experiment // Chem. Eng. Sci. - 2001. - Vol. 56, no. 10. - P. 3083-3099. DOI
22. Bratsun D., Kostarev K., Mizev A., Mosheva E. Concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids // Phys. Rev. E. - 2015. - Vol. 92. - 011003. DOI
23. Crank J. The mathematics of diffusion. -New York: Oxford, University Press, 1975. - 414 p.
24. Chapman T.W. The transport properties of concentrated electrolytic solutions / PhD Dissertation in Chemical Engineering. - Berkeley: The University of California, 1967. - 404 p.
25. Wills G.B., Yeh H.-S. Diffusion coefficient of aqueous nitric acid at 25° as function of concentration from 0.1 to 1.0 M // J. Chem. Eng. Data. - 1971. - Vol. 16, no. 1. - P. 76-77. DOI
26. Nisancioglu K., Newman J. Diffusion in aqueous nitric acid solutions // AIChE J. - 1973. - Vol. 19, no. 4. - P. 797-801. DOI
27. Fary A.D. The diffusional properties of sodium hydroxide / PhD Dissertation in Physical Chemistry. - Appleton, Wisconsin: The Institute of Paper Chemistry, 1966. - 126 p.
28. Noulty R.A., Leaist D.G. Activity coefficients and diffusion coefficients of dilute aqueous solutions of lithium, sodium, and potassium hydroxides // J. Solution Chem. - 1984. - Vol. 13, no. 11. - P. 767-778. DOI
29. Harned H.S., Shropshire J.A. The diffusion and activity coefficient of sodium nitrate in dilute aqueous solutions at 25° // J. Am. Chem. Soc. - 1958. - Vol. 80, no. 11. - P. 2618-2619. DOI
30. Yeh H.-S., Wills G.B. Diffusion coefficient of sodium nitrate in aqueous solution at 25° as a function of concentration from 0.1 to 1.0 M // J. Chem. Eng. Data. - 1970. - Vol. 15, no. 1. - P. 187-189. DOI
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2015 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.