Chemoconvection of miscible solutions in an inclined layer

Abstract

Работа посвящена экспериментальному и численному исследованию хемоконвективного течения двух смешивающихся реагирующих растворов, которые заполняют плоский слой, ориентированный под некоторым углом к полю силы тяжести. В экспериментах используются водные растворы азотной кислоты и гидроксида натрия. Система эволюционирует из начального состояния, при котором однородные растворы реагентов разделены в пространстве и занимают по половине слоя, а поверхность между ними является плоской. При контакте растворов реагентов начинается реакция нейтрализации кислоты основанием с образованием соли и воды. Конфигурация системы выбрана таким образом, что менее плотная кислота находится над более плотным основанием. За счёт этого исключается развитие неустойчивости Релея-Тейлора. Эксперименты выполнены для таких начальных концентраций реагентов, при которых реакция протекает в волновом режиме. Волна состоит из быстро продвигающегося в направлении действия силы тяжести скачка плотности, разделяющего неподвижный раствор щелочи и слой, содержащий смесь кислоты и соли, конвекция которого обеспечивает поступление свежей кислоты к реакционному фронту. Визуализация течения в эксперименте выполнена с использованием интерферометра Физо. Численное исследование полной трёхмерной задачи проведено с помощью программы гидродинамического моделирования ANSYS CFX. Исследована перестройка течения при постепенном увеличении угла наклона от 0 до 70°. Установлено, что наклон слоя приводит к существенному изменению структуры и интенсивности конвективного движения. Уже при малых углах отклонения (до 30°) течение становится трёхмерным, что делает приближение ячейки Хеле-Шоу не применимым к данному случаю. В спутном потоке волны плотности происходит спонтанное расслоение полей концентрации соли и кислоты. С увеличением угла наклона скорость волны уменьшается, хемоконвекция в спутном потоке становится менее интенсивной и приобретает определенную вихревую структуру. При больших углах наклона (от 50 до 70°) фронт волны либо сильно деформируется, либо волна распадается. В слое выше скачка плотности развивается подъёмно-опускное течение, которое теряет устойчивость по отношению к возмущениям в виде вертикальных валов концентрационной конвекции Релея. Наблюдается хорошее согласование данных экспериментальных измерений и численного моделирования задачи.