Моделирование неустойчивости Марангони однородной диффузии через межфазную границу в условиях невесомости
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.4.35Ключевые слова:
поверхностно-активное вещество, межфазная граница, диффузия, моделирование невесомости, контракция, конвекция Марангони, колебательный режимАннотация
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. Исследована динамика колебательного режима конвекции. Продемонстрировано качественное совпадение данных численного и натурного экспериментов. Для ряда значений чисел Марангони и Грасгофа приведен вид полей концентрации ПАВ и функции тока в канале, а также зависимость максимального значения функции тока от времени. Обнаружено, что в системе несмешивающихся жидкостей и растворимого ПАВ при условии их равной плотности при достаточно больших числах Марангони Ma≥50000 диффузионный процесс приводит к развитию неустойчивости даже в отсутствие эффекта контракции.
Скачивания
Библиографические ссылки
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. (English version DOI)
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. (English version DOI)
Морозов К.И., Лебедев А.В. Бифуркации формы капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле // ЖЭТФ. 2000. Т. 118, № 5. С. 1188-1192. (English version DOI)
Костарев К.Г., Брискман В.А.. Растворение капли с высоким содержанием поверхностно-активного вещества // ДАН. 2001. Т. 378, № 2. С. 187-189. (English version DOI)
Волков П.К. Подобие в задачах гидромеханики невесомости // УФН. 1998. Т. 168, № 12. С. 1323-1329. (English version DOI)
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. DOI
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. DOI
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. DOI
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. DOI
###
Polezhayev V.I. (ed.) Konvektivnyye protsessy v nevesomosti [Convective processes in microgravity]. М.: Nauka, 240 p.
Bogatyrev G.P., Ermakov M.K., Ivanov A.I., Nikitin S.A., Pavlovskii D.S., Polezhaev V.I., Putin G.F., Savin S.F. Experimental and theoretical investigation of thermal convection in a terrestrial model of a convection detector. Fluid Dyn., 1994, vol. 29, pp. 645-652. DOI
Monti R. (Ed.) Physics of fluids in microgravity. London: Taylor & Francis, 2001. 624 p.
Plateau J. Experimental and theoretical researches on the figures of equilibrium of a liquid mass withdrawn from the actions of gravity. Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution. Washington: Government Printing Office, 1864. Pp. 207-285.
Kosvintsev S.R., Reshetnikov D.G. Drop motion induced by diffusion of soluble surfactant the external medium: Experiment. Colloid Journal, 2001, vol. 63, pp. 318-325. DOI
Morozov K.I., Lebedev A.V. Bifurcations of the shape of a magnetic fluid droplet in a rotating magnetic field. Exp. Theor. Phys., 2000, vol. 91, pp. 1029-1032. DOI
Kostarev K.G., Briskman V.A. Dissolution of a drop with a content of a surface-active substance. Phys., 2001, vol. 46, pp. 349-351. DOI
Volkov P.K. Similarity in problems related to zero-gravity hydromechanics. Usp., 1998, vol. 41, pp. 1211-1217. DOI
Andreyev V.K., Gaponenko Yu.A., Goncharova O.N., Pukhnachev V.V. Sovremennyye matematicheskiye modeli konvektsii [Advanced mathematical models of convection]. M: Fizmatlit, 2008. 367 p.
Mizev A.I., Schwabe D. Convective instabilities in liquid layers with free upper surface under the action of an inclined temperature gradient. Fluids., 2009, vol. 21, 112102. DOI
Mizev A., Birikh R. Interaction between buoyant and solutocapillary convections induced by a surface-active source placed under the free surface. Phys. J. Spec. Top., 2011, vol. 192, pp. 145-153. DOI
Mizev A., Denisova M., Kostarev K., Birikh R., Viviani A. Threshold onset of Marangoni convection in narrow channels. Phys. J. Spec. Top., 2011, vol. 192, pp. 163-173. DOI
Denisova M.O., Kostarev K.G., Oshmarina M.V., Torokhova S.V., Shmyrov A.V., Shmyrova A.I. Non-equilibrium processes in continuous media, 15-18 May 2017, Perm, Perm State University, 2017. Vol. 1, pp. 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.
Nikol’skiy B.P. (ed.) Spravochnik khimika. T. 3. Khimicheskoye ravnovesiye i kinetika. Svoystva rastvorov. Elektrodnyye protsessy (Guide-Book for Chemist. 3. Chemical equilibrium and kinetics. Properties of solutions. Electrode processes). М.-L.: Chemistry, 1965. 1008 p.
Birikh R.V. Stability of homogeneous non-stationary surfactant diffusion through a flat interface between liquids. Vestnik Permskogo universiteta. Fizika – Bulletin of Perm University. Physics, 2016, 1(32), pp. 64-70. DOI
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
