Моделирование неустойчивости Марангони однородной диффузии через межфазную границу в условиях невесомости
Автор: Бирих Рудольф Вольдемарович, Денисова Мария Олеговна, Костарев Константин Геннадьевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.11, 2018 года.
Бесплатный доступ
В двумерной постановке исследован процесс диффузии поверхностно-активного вещества (ПАВ) сквозь вертикальную межфазную границу в системе двух несмешивающихся жидкостей, заполняющих горизонтальный канал. Изначально плотности базовых жидкостей выравнены по плотности с ПАВ, поэтому все дальнейшие изменения плотности в системе обусловливаются только эффектом контракции. При неоднородной диффузии межфазное натяжение является функцией локальной концентрации ПАВ, что приводит к развитию конвекции Марангони. Вследствие нахождения в системе неконтролируемых поверхностно-активных примесей капиллярное движение зарождается пороговым образом. Показано, что на начальном этапе, несмотря на наличие гравитации, конвекция Марангони имеет вид серии периодически возникающих парных вихрей, симметрично расположенных относительно оси канала (как в условиях невесомости). По мере роста вертикального перепада плотности в канале число пар вихрей сокращается до одной. Для верификации результатов численного моделирования выполнен натурный эксперимент, в ходе которого визуализирована структура течений и полей концентрации ПАВ вблизи межфазной границы...
Поверхностно-активное вещество, межфазная граница, диффузия, моделирование невесомости, контракция, конвекция марангони, колебательный режим
Короткий адрес: https://sciup.org/143166073
IDR: 143166073 | УДК: 532.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.4.36
Modeling of the Marangoni instability of uniform diffusion through the interphase boundary in weightlessness conditions
In this paper, the process of surfactant diffusion through the vertical interphase boundary in the system of two immiscible liquids filling a horizontal channel was studied in a two-dimensional formulation. Densities of the base liquids were initially set equal to the surfactant density. Therefore, all subsequent changes of density in the system were caused only by the effect of contraction. At the nonunifrom diffusion, the interfacial tension is the function of the local surfactant concentration, which gives rise to the Marangoni convection. Since the system contained uncontrolled surface-active impurities, the capillary flow was initiated in a threshold manner. It was shown that at the initial stage, despite the action of the gravitational force, the Marangoni convection occurred in the form of a series of periodic, paired vortices located symmetrically about the channel axis (the same as under zero gravity). As the vertical density difference increased, the number of vortex pairs reduced to a single pair...
Список литературы Моделирование неустойчивости Марангони однородной диффузии через межфазную границу в условиях невесомости
- Конвективные процессы в невесомости/Под ред. В.И. Полежаева. М.: Наука, 1991. 240 с.
- Богатырев Г.П., Ермаков М.К., Иванов А.И., Никитин С.А., Павловский Д.С., Полежаев В.И., Путин Г.Ф., Савин С.Ф. Экспериментальное и теоретическое исследование тепловой конвекции в наземной модели конвективного датчика//Изв. РАН. МЖГ. 1994. № 5. С. 67-75.
- Physics of fluids in microgravity/Ed. R. Monti. London: Taylor & Francis, 2001. 624 p.
- Plateau J. Experimental and theoretical researches on the figures on equilibrium of a liquid mass withdrawn from the action of gravity//Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution. Washington: Government Printing Office, 1864. P. 207-285.
- Косвинцев C.P., Решетников Д.Г. Движение капель при диффузии растворимого ПАВ во внешнюю среду. Эксперимент // Коллоидный журнал. 2001. Т. 63, № 3. С. 350-358.
- Морозов К.И., Лебедев А.В. Бифуркации формы капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле//ЖЭТФ. 2000. Т. 118, № 5. С. 1188-1192.
- Костарев К.Г., Брискман В.А. Растворение капли с высоким содержанием поверхностно-активного вещества//ДАН. 2001. Т. 378, № 2. С. 187-189.
- Волков П.К. Подобие в задачах гидромеханики невесомости//УФН. 1998. Т. 168, № 12. С. 1323-1329.
- Андреев В.К., Гапоненко Ю.А., Гончарова О.Н., Пухначев В.В. Современные математические модели конвекции. М: Физматлит, 2008. 367 с.
- Mizev A.I., Schwabe D. Convective instabilities in liquid layers with free upper surface under the action of an inclined temperature gradient//Phys. Fluids. 2009. Vol. 21. 112102.
- Mizev A., Birikh R. Interaction between buoyant and solutocapillary convections induced by a surface-active source placed under the free surface//Eur. Phys. J. Spec. Top. 2011. Vol. 192. P. 145-153.
- Mizev A., Denisova M., Kostarev K., Birikh R., Viviani A. Threshold onset of Marangoni convection in narrow channels//Eur. Phys. J. Spec. Top. 2011. Vol. 192. P. 163-173.
- Денисова М.О., Костарев К.Г., Ошмарина М.В., Торохова С.В., Шмыров А.В., Шмырова А.И. Контракция в неравновесных системах жидкостей//Неравновесные процессы в сплошных средах: Материалы междунар. симпозиума, Пермь, 15-18 мая 2017 г. Пермь: ПГНИУ, 2017. Т. 1. С. 152-155.
- Birikh R.V., Briskman V.A., Velarde M.G., Legros J.-C. Liquid interfacial systems: Oscillations and instability. New York-Basel: Marcel Dekker, Inc., 2003. 392 p.
- Справочник химика/Под ред. Б.П. Никольского. М.-Л.: Химия, 1965. Т. 3. Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы. 1008 с.
- Бирих Р.В. Устойчивость однородной нестационарной диффузии ПАВ через плоскую границу раздела жидкостей//Вест. Перм. ун-та. Сер. Физика. 2016. № 1(32). С. 64-70.
