Особенности формирования волн плотности в двухслойной системе смешивающихся реагирующих жидкостей
Автор: Брацун Дмитрий Анатольевич, Мошева Елена Александровна
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.11, 2018 года.
Бесплатный доступ
Возникновение внутренней волны плотности в двухслойной системе, состоящей из водных растворов кислоты и основания и находящейся в вертикальной ячейке Хеле-Шоу, исследуется теоретически и экспериментально. При контакте реагентов начинается экзотермическая реакция нейтрализации с образованием продукта реакции - водного раствора соли. Процесс сопровождается сильной зависимостью коэффициентов диффузии реагентов от их концентрации, что приводит к появлению локального кармана с пониженной плотностью, в котором развивается ячеистая конвекция. Обнаружено, что при определённом соотношении концентраций карман схлопывается, и получает начало хемоконвективный режим, при котором формируется плоская волна плотности, аномально быстро распространяющаяся в среде. Экспериментально показано, что в её спутном потоке происходит активное перемешивание реагентов и непрерывный отвод продукта, что обеспечивает высокую скорость реакции, полное протекание которой занимает всего несколько минут. Это отличается от известного ранее диффузионного режима, в котором реакция может длиться от нескольких часов до нескольких суток...
Волны плотности, хемоконвективная неустойчивость, реакция нейтрализации, нелинейная диффузия, смешивающиеся жидкости
Короткий адрес: https://sciup.org/143166060
IDR: 143166060 | УДК: 532.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.3.23
Peculiar properties of density wave formation in a two-layer system of reacting miscible liquids
The emergence of an internal density wave in a two-layer miscible system consisting of acid and base placed in a vertically Hele-Shaw cell is studied theoretically and experimentally. When the solutions come in contact, an exothermic neutralization reaction A+B→C starts, which is accompanied by the release of the reaction product - salt. This process is associated with a strong dependence of the diffusion coefficients of the reagents concentration that leads to the appearance of a local density pocket in which cellular convection develops. Under certain concentrations, the low density pocket collapses, and no previously observed chemoconvective regime that is characterized by the formation of a shock-like density wave. It has been experimentally shown that the wave movement is accompanied by an effective mixing of the reactants and continuous reaction product withdrawal, which ensures a high reaction rate. The emergence of a shock-like density wave is confirmed and studied in detail for various combinations of pairs of the acid (HNO3) and alkali (LiOH, NaOH, KOH) that confirms the universality of the instability mechanism...
Список литературы Особенности формирования волн плотности в двухслойной системе смешивающихся реагирующих жидкостей
- Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. 272 с.
- Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 512 с.
- Pismen L.M. Patterns and interfaces in dissipative dynamics. Berlin/Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2006. 373 p.
- Quincke G. Ueber periodische Ausbreitung an Flussigkeitsoberflachen und dadurch hervorgerufene Bewegungserscheinungen//Ann. Phys. 1888. Vol. 271. No. 12. P. 580-642.
- Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. 700 с.
- Кутепов А.М., Полянин А.Д., Запрянов А.Д., Вязьмин А.Д., Казенин Д.А. Химическая гидродинамика. Справочное пособие. М.: Квантум, 1996. 336 с.
- Dupeyrat M., Nakache E. 205 -Direct conversion of chemical energy into mechanical energy at an oil water interface//Bioelectrochem. Bioenerg. 1978. Vol. 5. No. 1. P. 134-141.
- Belk M., Kostarev K.G., Volpert V., Yudina T.M. Frontal photopolymerization with convection//J. Phys. Chem. B. 2003. Vol. 107. No. 37. P. 10292-10298.
- Брацун Д.А., Де Вит А. Об управлении хемоконвективными структурами в плоском реакторе//ЖТФ. 2008. Т. 78, № 2. С. 6-13.
- Карлов С.П., Казенин Д.А., Баранов Д.А., Волков А.В., Полянин Д.А., Вязьмин А.В. Межфазные эффекты и макрокинетика хемосорбционных процессов при поглощении CO2 водными растворами щелочей и аминов//Журн. физ. химии. 2007. Т. 81, № 5. С. 775-791.
- Thomson P.J., Batey W., Watson R.J. Interfacial activity in two phase systems UO2(NO3)2/Pu(NO3)4/HNO3-H2O-TBP/OK//Proc. of the Extraction '84: Symposium on Liquid-Liquid Extraction Science. Dounreay, Scotland, November 27-29, 1984. Vol. 88. P. 231-244.
- 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.
- Asad A., Yang Y.H., Chai C., Wu J.T. Hydrodynamic Instabilities Driven by Acid-base Neutralization Reaction in Immiscible System//Chin. J. Chem. Phys. 2010. Vol. 23. No. 5. P. 513-520.
- 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.
- Eckert K., Acker M., Shi Y. Chemical pattern formation driven by a neutralization reaction. I. Mechanism and basic features // Phys. Fluid. 2004. Vol. 16. No. 2. P. 385-399.
- Almarcha C., Trevelyan P.M.J., Riolfo L.A., Zalts A., El Hasi C., D'Onofrio A., De Wit A. Active role of a color indicator in buoyancy-driven instabilities of chemical fronts//J. Phys. Chem. Lett. 2010. Vol. 1. No. 4. P. 752-757.
- 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.
- 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.
- Bratsun D., Kostarev K., Mizev A., Mosheva E. Concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids//Phys. Rev. E. 2015. Vol. 92. No. 1. 011003(R).
- Аитова Е.В., Брацун Д.А. Костарев К.Г., Мизев А.И., Мошева Е.А. Конвективная неустойчивость в двухслойной системе реагирующих жидкостей с диффузией, зависящей от концентрации компонентов//Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 4. С. 345-358.
- Bratsun D.A., Stepkina O.S., Kostarev K.G., Mizev A.I., Mosheva E.A. Development of concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids under influence of constant or variable inertia//Microgravity Sci. Technol. 2016. Vol. 28. No. 6. P. 575-585.
- Bratsun D., Mizev A., Mosheva E., Kostarev K. Shock-wave-like structures induced by an exothermic neutralization reaction in miscible fluids//Phys. Rev. E. 2017. Vol. 96. No. 5. 053106.
- Брацун Д.А. Внутренние волны плотности ударного типа, индуцированные хемоконвекцией в смешивающихся реагирующих жидкостях//ПЖТФ. 2017. Т. 43, № 20. С. 69-77.
- Baroud C.N., Okkels F., Ménétrier L., Tabeling P. Reaction-diffusion dynamics: Confrontation between theory and experiment in a microfluidic reactor//Phys. Rev. E. 2003. Vol. 67. No. 6. 060104(R).
- Koo Y.E.L., KopelmanR. Space-and time-resolved diffusion-limited binary reaction kinetics in capillaries: experimental observation of segregation, anomalous exponents, and depletion zone // J. Stat. Phys. 1991. Vol. 65. No. 5-6. P. 893-918.
- Koza Z., Taitelbaum H. Motion of the reaction front in the A+ B→C reaction-diffusion system//Phys. Rev. E. 1996. Vol. 54. No. 2. R1040(R).
- Rongy L., Trevelyan P.M.J., De Wit A. Dynamics of A+ B→C reaction fronts in the presence of buoyancy-driven convection//Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101. No. 8. 084503.
- Rongy L., Trevelyan P.M.J., De Wit A. Influence of buoyancy-driven convection on the dynamics of A+ B→ C reaction fronts in horizontal solution layers//Chem. Eng. Sci. 2010. Vol. 65. No. 7. P. 2382-2391.
- Демин В.А., Попов Е.А. Об оценке числа Дамкёлера в хемоконвективных задачах//Вест. Перм. ун-та. Сер. Физика. 2015. Т. 2, № 30. С. 44-50.
- Isaachsen I. Innere Vorgänge in strömenden Flüssigkeiten und Gasen//Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure. 1911. Vol. 55. P. 428-431.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. М.: Наука, 1986. Т. VI. Гидродинамика. 736 с.
- Te Chow V. Open-channel hydraulics. New York: McGraw-Hill, 1959. 698 p.
- Петросян А.С. Дополнительные главы теории мелкой воды. М.: ИКИ РАН, 2014. 64 с.
- Bratsun D.A. On Rayleigh-Bénard mechanism of alignment of salt fingers in reactive immiscible two-layer systems//Microgravity Sci. Technol. 2014. Vol. 26. No. 5. P. 293-303.
- Зельдович Я.Б., Семенов Н.Н. Теория горения и детонации газов. М.: АН СССР, 1944. 71 с.
