Забыли данные входа?   Регистрация  

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ НА ДИНАМИКУ СМЕШИВАЮЩИХСЯ РЕАГИРУЮЩИХ ДВУХСЛОЙНЫХ СИСТЕМ

Автор: Елена Александровна Мошева

Соавторы: Козлов Николай Викторович

Организация: Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (ИМСС УрО РАН)

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ НА ДИНАМИКУ СМЕШИВАЮЩИХСЯ РЕАГИРУЮЩИХ ДВУХСЛОЙНЫХ СИСТЕМ

В работе экспериментально исследуется влияние линейно-поляризованных вибраций на структуру и интенсивность конвекции, возникающей в двухслойной системе, образованной водными растворами азотной кислоты и одного из гидроксидов NaOH/KOH, при протекании фронтальной реакции нейтрализации.

Эксперименты проводились в вертикальной ячейке Хеле-Шоу. Рабочая область ячейки имеет следующие внутренние размеры: высота 10 см, ширина 5 см, толщина 0.12 см. Боковые стенки ячейки образованы прозрачными стеклами, что позволило использовать цифровую трассерную анемометрию в качестве основного метода исследования структуры и интенсивности конвекции. Для изучения скорости движения фронта, его формы, а также направления массопотока образующейся вследствие реакции соли, был использован универсальный кислотно-щелочной индикатор, работающий в широком диапазоне значений pH.

Рабочий диапазон концентраций реагентов: С = (0.5–3.0) моль/л. Варьирование начальных концентраций позволило проводить эксперименты в двух различных режимах реакции: в конвективном (КР) и диффузионном (ДР). Протекание реакции в КР сопровождается возникновением в верхнем слое интенсивной конвекции, обусловленной неустойчивостью Рэлея–Тейлора, что существенно увеличивает как скорость движения фронта, так и скорость самой реакции [1]. В ДР также возникает конвекция, но вследствие развития неустойчивости двойной диффузии [2]. Ее интенсивность на порядок ниже, чем в КР, поэтому массоперенос в данном режиме реакции медленный, что в значительной мере замедляет протекание реакции.

Динамика реакции исследована в условиях: (i) поперечных вибраций, когда вибрационное воздействие ориентировано поперек фронта реакции; (ii) продольных вибраций, когда вибрационное воздействие ориентировано вдоль фронта реакции. Эксперименты выполнялись при частоте вибраций 40 Гц и амплитуде (2–4) мм в случае вертикальных вибраций (i), а в случае горизонтальных вибраций (ii) – в диапазонах частоты и амплитуды (5–13) Гц и (5–15) мм, соответственно.

Обнаружено, что ответ системы на горизонтальные и вертикальные вибрации качественно разный. Первые приводят к отклонению реакционного фронта от горизонтали, тогда как вторые вызывают слабое замедление конвекции [3]. В докладе обсуждаются особенности динамики реакции и устойчивость реакционного фронта при различных ориентациях вибраций. Обсуждается возможность управления массопереносом в реакционных системах. Приводится сравнительный анализ с результатами, полученными в безвибрационном случае.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда, грант 19-11-00133.

1. Bratsun D. et al. Shock-wave-like structures induced by an exothermic neutralization reaction in miscible fluids // Physical Review E. 2017. Vol. 96. № 5. P. 053106.

2. Radko T. Double-diffusive convection. Cambridge University Press, 2013.

3. Mosheva E., Kozlov N. Study of chemoconvection by PIV at neutralization reaction under normal and modulated gravity // Experiments in Fluids. 2021. Vol. 62. №. 1. P. 1-13.