Развитие неустойчивости межфазной границы в результате диффузии ПАВ в двухслойной системе жидкостей

Авторы

  • Константин Геннадьевич Костарев (Konstantin G. Kostarev) Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Светлана Васильевна Торохова (Svetlana V. Torokhova) Институт механики сплошных сред УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-3-20-27

Ключевые слова:

межфазная граница, неустойчивость Тейлора, диффузия, поверхностно-активное вещество, конвекция Марангони

Аннотация

Экспериментально исследована потеря устойчивости горизонтальной межфазной границы в двухслойной системе жидкостей с диффундирующим компонентом. С этой целью изучена эволюция системы на основе смеси хлорбензола и бензола (нижний слой) и воды либо водного раствора хлористого натрия (верхний слой). Диффундирующий компонент (уксусная кислота) представляет собой поверхностно-активное вещество (ПАВ) и в начале опыта находится в нижнем слое. Базовые жидкости имеют исходную плотность, близкую или равную плотности кислоты, поэтому все дальнейшие изменения плотности в системе обусловлены только эффектом контракции. Жидкости заполняют вертикальную ячейку Хеле-Шоу и разделены подвижной перегородкой. Удаление последней приводит к развитию диффузионного процесса, в результате чего система теряет устойчивость, что ведет к деформации межфазной границы и отрыву от нее капель. Определены зависимости изменения плотности и межфазного натяжения в точке максимального прогиба границы от времени и начальной концентрации кислоты в нижнем слое. Для момента отрыва капель от межфазной поверхности построена карта состояния системы. Продемонстрирована стабилизирующая роль концентрационно-капиллярного движения.

Библиографические ссылки

Strutt J. W., Lord Rayleigh. Investigation of the character of the equilibrium of an incompressible heavy fluid of variable density. Proceeding of London Mathematical Society, 1883, vol. 14, pp. 170–177.

Fermi E., von Neumann J. Taylor instability of incompressible liquids. Technical Report no. AECU-2979, 1953, OSTI ID: 4373391.

Mokbel M., Schwarzenberger K., Eckert K., Aland S. The influence of interface curvature on solutal Marangoni convection in the Hele-Shaw cell. Heat Mass Transfer, 2017, vol. 115, pp. 1064–1073.

Asad A., Yang Y., Chai C., Wu J. Hydrodynamic instabilities driven by acid-base neutralization re-action in immiscible system. Chinese Journal Chemical Physical, 2010, vol. 23, no. 5. pp. 513–520.

Ying S., Eckert K. Orientation-dependent hydrodynamic instabilities from chemo-Marangoni cells to large scale interfacial deformations. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2007, vol. 15, no. 5. pp. 748–753.

Eckert K., Acker M., Tadmouri R., Pimienta V. Chemo-Marangoni convection driven by an interfacial reaction: Pattern formation and kinetics. Chaos, 2012, vol. 22, 037112.

Allali K., Volpert V., Pojman J. A. Influence of vibrations on convective instability of polymeri-zation fronts. Journal of Engineering Mathematics, 2001, vol. 41, no. 1. pp. 13–31.

Allali K. Bikany F., Taik A., Volpert V. Influence of vibrations on convective instability of reaction fronts in liquids. Mathematical modeling of natural phenomena, 2010, vol. 5, no. 5. рр. 35–41.

Ivanova A. A., Kozlov V. G. Sand-fluid interface under vibration. Fluid Dynamics, 2002, vol. 37, no. 2, pp. 277–293.

Birikh R. V., Denisova М. О., Kostarev К. G. Modeling of the Marangoni instability of uniform diffusion through the interphase boundary in weightlessness conditions. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2019, no. 7 (In press).

Nikolsky B. P. (Еd.) Handbook of a chemistry. Vol. 3 Moscow: Chemistry, 1965, 1008 p. (In Russian).

Abranzon A. A., Gayevoy G. M (Eds.) Surfactants: Handbook. Leningrad: Chemistry, 1979. 376 p. (In Russian).

Загрузки

Опубликован

2019-10-31

Выпуск

Раздел

Статьи (Regular articles)