Cтруктура конвективного течения бинарных смесей с эффектом Соре в плоских слоях с границами малой теплопроводности
Автор: Сергей Анатольевич Прокопьев
Соавторы: Любимова Татьяна Петровна
Организация: Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь
В работе исследуется термодиффузионная конвекция бинарной жидкой смеси в горизонтальном слое с твердыми непроницаемыми границами при заданном вертикальном тепловом потоке. Такая постановка соответствует случаю низкой теплопроводности ограничивающих стенок и существенно отличается от классической задачи с фиксированной температурой на границах. Рассматриваются смеси с отрицательным коэффициентом разделения, для которых развитие конвекции возможно как при нагреве снизу, так и при нагреве сверху. Работа посвящена численному исследованию структуры течения и характерных пространственных масштабов конвекции в нелинейной постановке. В линейной теории для рассматриваемого диапазона параметров потеря устойчивости равновесного состояния происходит по длинноволновому механизму. Однако результаты прямого численного моделирования показывают, что длинноволновой режим реализуется только в непосредственной окрестности порога устойчивости. При увеличении числа Рэлея происходит переход к течениям с конечным волновым числом и формированием квадратных ячеек.
При нагреве сверху переход к коротковолновым режимам выражен наиболее отчетливо: по мере удаления от порога устойчивости формируется устойчивая ячеистая структура с характерным конечным размером ячеек. При нагреве снизу линейный анализ предсказывает возможность колебательной неустойчивости. Нелинейные расчеты подтверждают существование колебательных режимов вблизи порога конвекции; при дальнейшем увеличении надкритичности течение переходит в стационарное пространственно неоднородное состояние.
Показано, что на начальной стадии развития конвекции реализуются конвективные валы (см. Рис.), но основными режимами являются квадратные и прямоугольные конвективные ячейки. Полученные результаты подтверждают выводы линейной теории вблизи порога возникновения конвекции [1] и уточняют закономерности формирования трехмерных структур в бинарных смесях при наличии эффекта Соре и конечной теплопроводности границ. Подробно с результатами исследования можно познакомиться в статье [2].
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 25-71-00038).
1. Lyubimova T. P., Sadilov E. S., Prokopev S. A. Onset of Soret-induced convection in a horizontal layer of ternary fluid with fixed vertical heat flux at the boundaries // The European Physical Journal E. 2017. Vol. 40. P. 15.
2. Prokopev S.A., Lyubimova T.P. Soret-induced convection of a binary mixture with a negative separation ratio in a layer with nearly insulating boundaries // Physics of Fluids. 2026. Vol. 38. №. 6.
