Хемоконвекция смешивающихся растворов в наклонном слое
Автор: Мошева Елена Александровна, Сираев Рамиль Рифгатович, Брацун Дмитрий Анатольевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.16, 2023 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена экспериментальному и численному исследованию хемоконвективного течения двух смешивающихся реагирующих растворов, которые заполняют плоский слой, ориентированный под некоторым углом к полю силы тяжести. В экспериментах используются водные растворы азотной кислоты и гидроксида натрия. Система эволюционирует из начального состояния, при котором однородные растворы реагентов разделены в пространстве и занимают по половине слоя, а поверхность между ними является плоской. При контакте растворов реагентов начинается реакция нейтрализации кислоты основанием с образованием соли и воды. Конфигурация системы выбрана таким образом, что менее плотная кислота находится над более плотным основанием. За счёт этого исключается развитие неустойчивости Релея-Тейлора. Эксперименты выполнены для таких начальных концентраций реагентов, при которых реакция протекает в волновом режиме. Волна состоит из быстро продвигающегося в направлении действия силы тяжести скачка плотности, разделяющего неподвижный раствор щелочи и слой, содержащий смесь кислоты и соли, конвекция которого обеспечивает поступление свежей кислоты к реакционному фронту. Визуализация течения в эксперименте выполнена с использованием интерферометра Физо. Численное исследование полной трёхмерной задачи проведено с помощью программы гидродинамического моделирования ANSYS CFX. Исследована перестройка течения при постепенном увеличении угла наклона от 0 до 70°. Установлено, что наклон слоя приводит к существенному изменению структуры и интенсивности конвективного движения. Уже при малых углах отклонения (до 30°) течение становится трёхмерным, что делает приближение ячейки Хеле-Шоу не применимым к данному случаю. В спутном потоке волны плотности происходит спонтанное расслоение полей концентрации соли и кислоты. С увеличением угла наклона скорость волны уменьшается, хемоконвекция в спутном потоке становится менее интенсивной и приобретает определенную вихревую структуру. При больших углах наклона (от 50 до 70°) фронт волны либо сильно деформируется, либо волна распадается. В слое выше скачка плотности развивается подъёмно-опускное течение, которое теряет устойчивость по отношению к возмущениям в виде вертикальных валов концентрационной конвекции Релея. Наблюдается хорошее согласование данных экспериментальных измерений и численного моделирования задачи.
Хемоконвекция, реакция нейтрализации, смешивающиеся жидкости, волна плотности, численные эксперименты
Короткий адрес: https://sciup.org/143180010
IDR: 143180010 | УДК: 532.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.1
Chemoconvection of miscible solutions in an inclined layer
This paper presents an experimental and numerical investigation of the chemoconvective flow of two miscible reacting solutions that generate a plain layer oriented at some angle to the gravity field. In the experiments, the aqueous solutions of nitric acid and sodium hydroxide were used. The system evolves from an initial state, in which each homogeneous solution occupies half of the layer, and the contact surface between the layers is flat. When the reacting solutions come into contact with each other, an acid-base neutralization reaction occurs, forming salt and water. The system configuration is chosen so that the acid solution of lower density rests on top of the denser base. This excludes the development of the Rayleigh-Taylor instability. The experiments were performed for such initial concentrations of the reagents at which a wave regime is realized in the system. The wave comprises a density jump rapidly advancing in the direction of gravity and separating the immobile alkali solution and the layer of acid and salt mixture, the convective motion of which feeds the frontal reaction with fresh acid. The visualization of the flow in the experiments was performed using a Fizeau interferometer. The numerical study of a complete three-dimensional problem was carried out using the ANSYS CFX hydrodynamic simulation program. We studied the flow evolution at a gradual increase in the angle of inclination from 0° to 70°. We found that the layer inclination leads to a significant change in the structure and intensity of the convective motion. Already at small inclination angles (up to 30°), the flow becomes three-dimensional, which makes the Hele-Shaw approximation inapplicable to this case. We show that there is a spontaneous stratification of salt and acid concentration fields in the cocurrent wave flow. With an increase in the angle of inclination, the wave velocity decreases, and chemoconvection in the cocurrent flow becomes less intense and acquires a certain vortex structure. At larger angles (from 50° to 70°), the wave front is strongly deformed or the wave breaks up. We demonstrate that an up-and-down fluid flow develops in the layer above the density jump. This flow eventually loses its stability with respect to the vertical rolls of solutal Rayleigh convection. There is a good agreement between the experimental measurements and the results of numerical simulation of the 3D problem.
