Прямое численное моделирование конвекции двойной диффузии при вибрациях
Автор: Козлов Н.В.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.16, 2023 года.
Бесплатный доступ
Численно решается задача о развитии конвекции двойной диффузии в плоском слое при воздействии приложенных извне вибраций. Рассматривается двухслойная система смешивающихся жидкостей, помещённая в вертикальные поля силы тяжести и продольных поступательных вибраций. Первое является генератором конвекции: вследствие различия скоростей диффузии у разных растворённых веществ в слое формируются неустойчиво стратифицированные жидкие области. В качестве растворителя используется вода. Нижний слой образован раствором хлорида натрия, а верхний - раствором глюкозы. Нижний слой имеет более высокую плотность, чем верхний. В начальный момент времени система устойчиво стратифицирована. Задача решается в двумерной нестационарной постановке с применением коммерческого пакета ANSYS Fluent. Изучается изменение в поведении жидкостей под действием вибраций. Исследуются конвективные структуры и профили плотности при различной величине вибрационных ускорений, а также эволюция конвективных характеристик. Характер реакции системы на вибрации анализируется в двух аспектах: глобальном и локальном. Глобальный анализ подразумевает описание процессов, протекающих в масштабах всего слоя, а локальный фокусируется на динамике отдельных конвективных структур. Основной эффект от воздействия вибраций заключается в замедлении конвекции. В глобальном масштабе это выражается в снижении скорости роста конвективных структур; со временем эффект становится более заметным (накапливается). В локальном масштабе при сравнительно невысоких вибрационных ускорениях происходит задержка начала конвекции, а при высоких ускорениях конвективные структуры переориентируются и растут в горизонтальном направлении. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов вибрационного управления системами с реакцией/диффузией.
Конвекция двойной диффузии, вибрации, прямое численное моделирование, смешивающиеся жидкости
Короткий адрес: https://sciup.org/143180520
IDR: 143180520 | УДК: 532.23, | DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.3.24
Direct numerical simulation of double-diffusive convection at vibrations
The problem of the evolution of double-diffusive convection in a plane layer under the action of external vibrations is solved numerically. A two-layered system of miscible fluids placed in the vertical fields of gravity and linear translational vibrations is considered. The former is the generator of convection: due to the difference in the diffusivity of the species dissolved, unstably stratified fluid regions are formed in the layer. Water is used as a continuous medium. The bottom layer is the solution of sodium chloride and it has a higher density than the top layer formed by the glucose solution. Initially, the system is stably stratified. The problem is solved in a two-dimensional transitional formulation by means of the ANSYS Fluent commercial software. The change in the behavior of fluids under the action of vibrations is studied. Convective structures and density profiles at different vibrational acceleration magnitudes, as well as the evolution of convective characteristics, are considered. Analysis of the system behavior is conducted in two aspects: global and local. Global analysis implicates the description of the processes taking place in the scale of the entire layer, and local analysis focuses on the dynamics of separate convective structures. The main vibration effect results in the convection slowdown. In the global scale, this manifests itself as a decrease in the growth rate of the convective structures; the magnitude of this effect increases (is stored) with time. In the local scale, under relatively low vibrational accelerations, the convection onset is delayed, whereas at high accelerations the growth of convective structures is reoriented along the horizontal direction. The results obtained can be used to develop vibratory control methods for diffusive-reactive systems.
Список литературы Прямое численное моделирование конвекции двойной диффузии при вибрациях
- Wolf G.H. The dynamic stabilization of the Rayleigh–Taylor instability and the corresponding dynamic equilibrium // Z. Physik. 1969. Vol. 227. P. 291-300. https://doi.org/10.1007/BF01397662
- Wolf G.H. 9.1. Dynamic stabilization of hydrodynamic interchange instabilities – a model for plasma physics // AIP Conf. Proc. 1970. Vol. 1. P. 293-304. https://doi.org/10.1063/1.2948512
- Wolf G.H. Dynamic stabilization of the Rayleigh–Taylor instability of miscible liquids and the related “frozen waves” // Phys. Fluids. 2018. Vol. 30. 021701. https://doi.org/10.1063/1.5017846
- Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection. New York: Wiley, 1998. 358 p.
- Гельфгат А.Ю. Развитие и неустойчивость стационарных конвективных течений в нагреваемой снизу квадратной полости в поле вертикально направленных вибрационных сил // Изв. АН СССР. МЖГ. 1991. № 2. С. 9-18. (English version https://doi.org/10.1007/BF01050134)
- Carbo R.M., Smith R.W.M., Poese M.E. A computational model for the dynamic stabilization of Rayleigh–Bénard convection in a cubic cavity // J. Acoust. Soc. Am. 2014. Vol. 135. P. 654-668. https://doi.org/10.1121/1.4861360
- Swaminathan A., Garrett S.L., Poese M.E., Smith R.W.M. Dynamic stabilization of the Rayleigh–Bénard instability by acceleration modulation // J. Acoust. Soc. Am. 2018. Vol. 144. P. 2334-2343. https://doi.org/10.1121/1.5063820
- Иванова А., Козлов В. Опыты по вибрационной механике. Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2013. 120 с.
- Неволин В.Г. Параметрическое возбуждение волн на границе раздела // Изв. АН СССР. МЖГ. 1977. № 2. С. 167-170. (English version https://doi.org/10.1007/BF01050704)
- Владимиров В.А. Параметрический резонанс в стратифицированной жидкости // ПМТФ. 1981. № 6. С. 168-174. (English version https://doi.org/10.1007/BF00906125)
- Секерж-Зенькович С.Я. Параметрическое возбуждение волн конечной амплитуды на границе раздела двух жидкостей разных плотностей // ДАН СССР. 1983. Т. 272, № 5. С. 1083-1086.
- Benielli D., Sommeria J. Excitation and breaking of internal gravity waves by parametric instability // J. Fluid Mech. 1998. Vol. 374. P. 117-144. https://doi.org/10.1017/S0022112098002602
- Jalikop S.V., Juel A. Steep capillary-gravity waves in oscillatory shear-driven flows // J. Fluid Mech. 2009. Vol. 640. P. 131 150. https://doi.org/10.1017/S0022112009991509
- Иванова А.А., Козлов В.Г. Граница раздела песок–жидкость при вибрационном воздействии // Изв. РАН. МЖГ. 2002. № 2. С. 120-138. (English version https://doi.org/10.1023/A:1015866518221)
- Gaponenko Y., Torregrosa M., Yasnou V., Mialdun A., Shevtsova V. Dynamics of the interface between miscible liquids subjected to horizontal vibration // J. Fluid Mech. 2015. Vol. 784. P. 342-372. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.586
- Shevtsova V., Gaponenko Y.A., Yasnou V., Mialdun A., Nepomnyashchy A. Two-scale wave patterns on a periodically excited miscible liquid–liquid interface // J. Fluid Mech. 2016. Vol. 795. P. 409-422. https://doi.org/10.1017/jfm.2016.222
- Zagvozkin T., Vorobev A., Lyubimova T. Kelvin-Helmholtz and Holmboe instabilities of a diffusive interface between miscible phases // Phys. Rev. E. 2019. Vol. 100. 023103. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.023103
- 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. 023001. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.023001
- Mizev A.I., Mosheva E.A., Bratsun D.A. Extended classification of the buoyancy-driven flows induced by a neutralization reaction in miscible fluids. Part 1. Experimental study // J. Fluid Mech. 2021. Vol. 916. A22. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.201
- Cooper C.A., Glass R.J., Tyler S.W. Experimental investigation of the stability boundary for double-diffusive finger convection in a Hele-Shaw cell // Water Resour. Res. 1997. Vol. 33. P. 517-526. http://dx.doi.org/10.1029/96WR03811
- Cooper C.A., Glass R.J., Tyler S.W. Effect of buoyancy ratio on the development of double-diffusive finger convection in a Hele-Shaw cell // Water Resour. Res. 2001. Vol. 37. P. 2323-2332. https://doi.org/10.1029/2001WR000343
- Sorkin A., Sorkin V., Leizerson I. Salt fingers in double-diffusive systems // Physica A. 2002. Vol. 303. P. 13-26. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(01)00396-X
- Pringle S.E., Glass R.J., Cooper C.A. Double-diffusive finger convection in a Hele-Shaw cell: An experiment exploring the evolution of concentration fields, length scales and mass transfer // Transport in Porous Media. 2002. Vol. 47. P. 195-214. https://doi.org/10.1023/A:1015535214283
- 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. P. 9739-9744. https://dx.doi.org/10.1021/jp202201e
- Aatif H., Allali K., El Karouni K. Influence of vibrations on convective instability of reaction fronts in porous media // Math. Model. Nat. Phenom. 2010. Vol. 5. P. 123-137. https://doi.org/10.1051/mmnp/20105508
- 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. P. 575-585. https://doi.org/10.1007/s12217-016-9513-x
- Mosheva E., Kozlov N. Study of chemoconvection by PIV at neutralization reaction under normal and modulated gravity // Exp. Fluids. 2021. Vol. 62. 10. https://doi.org/10.1007/s00348-020-03097-0
- Kozlov N. Numerical study of double-diffusive convection at vibrations // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 1809. 012023. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1809/1/012023
- Detwiler R.L., Rajaram H., Glass R.J. Solute transport in variable-aperture fractures: An investigation of the relative importance of Taylor dispersion and macrodispersion // Water Resour. Res. 2000. Vol. 36. P. 1611-1625. http://dx.doi.org/10.1029/2000WR900036
- Nield D.A., Bejan A. Convection in porous media. New-York: Springer, 2013. 778 p.
- Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Том 3. Химическое равновесие и кинетика, свойства растворов, электродные процессы. М.: Химия, 1965. 1008 с.
