Конвективная неустойчивость в двухслойной системе реагирующих жидкостей с диффузией, зависящей от концентрации компонентов

Конвективная неустойчивость в двухслойной системе реагирующих жидкостей с диффузией, зависящей от концентрации компонентов

Автор: Аитова Елизавета Валерьевна, Брацун Дмитрий Анатольевич, Костарев Константин Геннадьевич, Мизев Алексей Иванович, Мошева Елена Александровна

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.8, 2015 года.

Бесплатный доступ

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.

Еще

Конвективная неустойчивость, реакция нейтрализации, нелинейная диффузия, смешивающиеся жидкости

Короткий адрес: https://sciup.org/14320778

IDR: 14320778   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2015.8.4.29

Список литературы Конвективная неустойчивость в двухслойной системе реагирующих жидкостей с диффузией, зависящей от концентрации компонентов

  • Quincke G. Ueber periodische Ausbreitung an Flussigkeitsoberflächen und dadurch hervorgerufene Bewegungserscheinungen//Annalen der Physik. -1888. -Vol. 271, no. 12. -P. 580-642.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Turner J.S. Double-diffusive phenomena//Annu. Rev. Fluid Mech. -1974. -Vol. 6. -P. 37-54.
  • 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.
  • Almarcha C., Trevelyan P.M.J., Grosfils P., De Wit A. Chemically driven hydrodynamic instabilities//Phys. Rev. Lett. -2010. -Vol. 104, no. 4. -044501.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bratsun D., Kostarev K., Mizev A., Mosheva E. Concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids//Phys. Rev. E. -2015. -Vol. 92. -011003.
  • Crank J. The mathematics of diffusion. -New York: Oxford, University Press, 1975. -414 p.
  • Chapman T.W. The transport properties of concentrated electrolytic solutions/PhD Dissertation in Chemical Engineering. -Berkeley: The University of California, 1967. -404 p.
  • 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.
  • Nisancioglu K., Newman J. Diffusion in aqueous nitric acid solutions//AIChE J. -1973. -Vol. 19, no. 4. -P. 797-801.
  • Fary A.D. The diffusional properties of sodium hydroxide/PhD Dissertation in Physical Chemistry. -Appleton, Wisconsin: The Institute of Paper Chemistry, 1966. -126 p.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp