The development of interface instability due to surfactant diffusion in a two-layer system of liquids

Authors

  • Константин Геннадьевич Костарев (Konstantin G. Kostarev) Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS
  • Светлана Васильевна Торохова (Svetlana V. Torokhova) Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

DOI:

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

Keywords:

inter-phase boundary, Taylor instability, diffusion, surface-active substance, Marangoni convection

Abstract

The loss of stability of the horizontal interface in a two-layer system of immiscible liquids with a diffusing component was investigated experimentally. To this end, the evolution of the system, which was based on a mixture of chlorobenzene and benzene (lower layer) and water or an aqueous solution of sodium chloride (upper layer) was examined. At the beginning of the experiment, the diffusing component (acetic acid), which was a surface-active substance (surfactant), was located in the lower layer of the system. Since the initial densities of the base fluids were close to or equal to the acid density, all further density changes in the system were only the result of the contraction effect. The prepared liquids filled the vertical Hele-Shaw cell and were separated by a movable partition. The removal of the partition led to the development of the diffusion process of acid, which turned to be the reason for the loss of stability of the system provoking the deformation of the inter-phase boundary and the detachment of droplets from it. The dependences of changes in density and interfacial tension at the point of maximum deflection of the boundary on time and initial acid concentration in the lower layer were determined. For case of discontinuity of the interfacial surface a neutral curve was obtained. The analysis of the system behavior revealed a stabilizing role of the solutal Marangoni convection. 

References

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).

Downloads

Published

2019-10-31

How to Cite

Костарев (Konstantin G. Kostarev) К. Г., & Торохова (Svetlana V. Torokhova) С. В. (2019). The development of interface instability due to surfactant diffusion in a two-layer system of liquids. Bulletin of Perm University. Physics, (3). https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-3-20-27

Issue

No. 3 (2019)

Section

Regular articles

License

Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).

Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.

Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.

Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.

Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.

Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.

Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru

Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.