Особенности формирования волн плотности в двухслойной системе смешивающихся реагирующих жидкостей - Брацун, Дмитрий Анатольевич; Мошева, Елена Александровна (Вычислительная механика сплошных сред, 2018)
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. Существование волны плотности подтверждено и детально рассмотрено для различных сочетаний пар кислоты (HNO3) и гомологического ряда гидроксидов щелочных металлов (LiOH, NaOH, KOH), что подчёркивает универсальность действующего механизма неустойчивости. Показано, что предложенный ранее безразмерный параметр, который представляет собой отношение плотности реакционной зоны к плотности верхнего реагента, является критерием подобия для всех исследованных сочетаний пар реагентов и определяет границу , в пределах которой эффект возможен. Предложена его математическая модель, которая при определённых допущениях может быть формально сведена к уравнениям Сен-Венана для поверхностных гравитационных волн на «мелкой воде», допускающим решения в виде нелинейных волн ударного типа. Представлены результаты численных расчётов динамики волны плотности для разных значений управляющего параметра, изучен переход от диффузионно-управляемых процессов к управляемым конвективно. Проводится сравнение данных вычислительных и лабораторных экспериментов.