Хемоконвективные структуры во вращающейся системе реагирующих жидкостей - Уточкин, Владимир Юрьевич; Сираев, Рамиль Рифгатович; Брацун, Дмитрий Анатольевич (Вычислительная механика сплошных сред, 2020)
Исследуются хемоконвективные структуры в системе двух смешивающихся реагирующих жидкостей, помещенных в ячейку Хеле-Шоу цилиндрической формы, совершающей равномерные вращения вокруг оси симметрии. Ранее формирование структур в подобных условиях изучалось авторами экспериментально и теоретически при наличии статического поля силы тяжести. Радиально направленное инерционное поле, создаваемое центробежной силой, меняется по пространству (вдоль радиуса) и может регулироваться частотой вращения, что дает системе новые степени свободы. Начальная конфигурация представляет собой два концентрических слоя водных растворов, разделенных по пространству бесконечно тонкой диффузионной границей. Раствор кислоты расположен ближе к оси вращения, а раствор основания - на периферии ячейки. Концентрации веществ подобраны таким образом, что гарантируется начальная устойчивость конфигурации по отношению к возмущениям Релея-Тейлора. При приведении жидкостей в контакт начинается реакция нейтрализации, которая сопровождается выделением соли. Важную роль в данном процессе играет функциональная зависимость коэффициентов диффузии реагентов от концентрации в растворе последних, что имеет следствием нелинейный вид соответствующих уравнений переноса уже в основном состоянии реакции-диффузии. Как и в случае статического силового поля, вблизи фронта реакции возникает плотностная потенциальная яма, которая определяет нелинейную динамику системы. Получена система нелинейных уравнений, описывающая движение жидкости. Демонстрируются результаты численного моделирования полной нелинейной задачи. Показано, что при некотором соотношении начальных концентраций и значений центробежных чисел Релея в потенциальной яме развивается ячеистая конвекция. При увеличении скорости вращения периодичность структуры нарушается все больше и больше за счет влияния неустойчивости диффузионного слоя, формирующейся у оси вращения, и действия инерционного поля, которое вырывает отдельные ячейки из потенциальной ямы.
Keywords: хемоконвективная неустойчивость; равномерное вращение; реакция нейтрализации; нелинейная диффузия; смешивающиеся жидкости