Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведен полный комплекс экспериментальных и теоретических исследований устойчивости и структуры конвективного течения в двухслойной системе смешивающихся реагирующих жидкостей, представленных водными растворами «сильная кислота – сильное основание» и находящихся в статическом поле тяжести. Доказано, что процессы массопереноса в системе протекают с сильной зависимостью коэффициентов диффузии реагентов от их концентраций, что приводит к формированию неоднородной стратификации среды по плотности, которая включает в себя как зоны повышенной, так и пониженной плотности. Исследованы различные сочетания пар реагентов, выбранных из водных растворов азотной и соляной кислот, а также водных растворов гомологического ряда гидроксидов щелочных металлов LIOH, NaOH, KOH, CsOH. Для проведена большая предварительная работа по измерению зависимостей коэффициентов диффузии реагентов от их концентрации. Для это был специально разработан и создан экспериментальный комплекс и методика обработки данных на основе интерферометрического метода. Разработанный метод был применен для измерения концентрационной зависимости коэффициентов диффузии кислот и гидроксидов в диапазоне от 0 до 3 моль/л. Необходимо отметить, что разработанный и реализованный авторами проекта метод позволил впервые измерить зависимость коэффициента диффузии в столь широком диапазоне концентрации в одном эксперименте, в то время как существующие методы подразумевают измерения в узких диапазонах с последующей сшивкой результатов. Одновременное применение нескольких экспериментальных методик (интерферометрия Физо, светорассеивающие частицы, световой нож, а также использование индикатора кислотности pH) и варьирование физико-химических параметров исследуемых систем в широком диапазоне позволило впервые досконально исследовать процессы реакции-диффузии-конвекции и предложить единый физический механизм формирования неустойчивости. Для всех исследованных пар реагентов обнаружены два сценария развития неустойчивости, выбор которых определяется величиной безразмерного параметра, предложенного авторами проекта. Данный параметр равен отношению плотности реакционной зоны, формирующейся на фронте реакции, к плотности верхнего слоя. При величине параметра больше единицы, когда значение плотности зоны реакции лежит между значениями плотности верхнего и нижнего слоя, глобальная стратификация устойчива. Поскольку зона реакции находится внутри диффузионной зоны, а конвективное движение развивается за ее пределами, то характерное время протекания реакции сравнимо с диффузионными временами и составляет порядка десятков часов. Такой режим назван авторами проекта диффузионно-контролируемым. При величине безразмерного параметра меньше единицы зона реакции легче верхнего слоя, что приводит к формированию неустойчивости Рэлея-Тейлора. При этом фронт реакции распространяется в сторону неподвижного нижнего слоя в форме волны плотности ударного типа. В результате интенсивного массообмена скорость преобразования реагентов возрастает на два-три порядка по сравнению с диффузионно-контролируемым режимом, что приводит к быстрому движению фронта реакции вниз. Характерное время протекания реакции уменьшается до нескольких минут. Данный режим назван конвективно-контролируемым. Для всех пар реагентов конвективный режим реализуется в замкнутой узкой области параметров, расположенной вблизи изопикны. За его пределами в эксперименте реализуется диффузионный режим протекания реакции. Удивительной особенностью системы является пороговый характер перехода системы от одного режима к другому: изменения начальных концентраций реагентов на доли процента могут приводить к переключению систему от медленного режима выгорания реагентов (сутки) к взрывной реакции (минуты) и обратно. Это открытие обещает интересный спектр практических приложений по внешнему управлению процессами в реакторах. Наблюдаемые экспериментально режимы реакции хорошо согласуются с теоретически рассчитанными картами устойчивости, что подтверждает правильность выбора физического механизма наблюдаемых явлений и описывающего их безразмерного параметра. Предложена математическая модель явления, включающая систему уравнений реакции-диффузии-конвекции, записанных в приближении Хеле-Шоу. Продемонстрировано, что в случае использования постоянных значений коэффициентов диффузии экспериментально наблюдаемые эффекты в численном эксперименте не воспроизводится. Это доказывает, что структурообразование в рассматриваемых системах полностью определяется концентрационной зависимостью коэффициентов диффузии. Важным теоретическим достижением является описание конвективно-управляемого режима как скачка плотности, который перемещается быстрее характерных возмущений в среде и имеет вид ударной волны. Предложена математическая модель явления, которая при определенных допущениях может быть формально сведена к уравнениям движения сжимаемого газа. При этом эффективная сжимаемость среды возникает в данном случае за счет изменения концентраций реагентов в ходе реакции (сам растворитель, вода, разумеется, остается несжимаемым). Важным фундаментальным результатом первого года является обнаружение в исследуемой системе пространственного аналога сценария Рюэля-Такенса перехода к хаосу через разрушение малоразмерного тора. Сценарий Рюэля-Такенса является одним из трех универсальных сценариев перехода к хаосу, установленным в теории динамических систем. Хотя отдельные элементы бифуркаций наблюдаются и в системах, где независимой переменной служит координата, никогда ранее в таких системах не наблюдалось полное воспроизведение сценариев для динамических систем по времени. Изучен механизм формирования и разрушения пространственной квазипериодической структуры. Как указано выше, процесс реакции-диффузии характеризуется сильной зависимостью коэффициентов диффузии реагентов от их концентрации, что приводит к возникновению двух локальных зон пониженной плотности, в которых независимо друг от друга возникают хемоконвективные движения жидкости. Слои, в которых развивается конвекция, всё время остаются разделенными прослойкой неподвижной жидкости, но они могут влиять друг на друга посредством диффузии реагентов через прослойку. Формирующаяся хемоконвективная структура представляет собой модулированную стоячую волну, постепенно разрушающуюся со временем, повторяя последовательность бифуркаций сценария разрушения двумерного тора. Показано, что в ходе эволюции системы пространственная ось, направленная вдоль фронта реакции, выполняет роль времени, а само время играет роль управляющего параметра. Кроме указанных выше важнейших научных результатов первого года, приведенных выше, был получен ряд других экспериментальных и теоретических результатов для случаев, касающихся усложнения исследуемой системы. Перечислим основные результаты в этом направлении. Проведено предварительное экспериментальное исследование конвективной неустойчивости и структуры течений в двухслойной системе несмешивающихся реагирующих жидкостей с плоской межфазной границей. Проведены исследования по выбору веществ для создания двухслойной системы несмешивающихся жидкостей, которая исключала бы развитие концентрационно-капиллярной конвекции. Обнаружено, что сценарии в смешивающихся и несмешивающихся системах в рамках парадигмы «сильная кислота – сильное основание» оказываются качественно одинаковыми, несмотря на различия в постановке задачи. Однако, обнаружены количественные различия. Причина данных различий пока непонятна и требует проведения большего объема дополнительных экспериментов с другими парами кислота-основание. Экспериментально изучен массообмен между каплей и окружающей химически активной средой в условиях развития фронтальной реакции нейтрализации. Подобраны системы жидкостей (уксусная кислота - гидроксид натрия), разработана методика эксперимента, визуализированы течения и поля концентрации, прослежена их эволюция в зависимости от начальных размеров капель и исходной концентрации кислоты. Обнаружено, что диффузия кислоты из смеси бензолов приводит к росту ее плотности, из-за чего вдоль вертикального диаметра капли формируется подъемное течение за счет пристеночного стекания смеси, «обедненной» кислотой. Благодаря подъемному течению в верхней части капли возникает зона с неустойчивой стратификацией по плотности, находящаяся в динамическом равновесии и которая может затем либо постепенно продвигаться к центру капли, либо – с ростом исходной концентрации кислоты – разрушиться с падением вниз концентрационных пальцев. Показано, что удвоение исходной концентрации кислоты в капле удваивает и интенсивность массообмена. Подготовлены экспериментальные комплексы для изучения конвекции в вибрирующей и равномерно вращающейся полости. Получены тестовые картины конвекции двойной диффузии в поле тяжести, в поле вибраций и в центробежном поле: интерферограммы и картины частиц-трассеров. Построены графики эволюции скорости конвекции по результатам пакетной обработки видеозаписей. Теоретически исследован вопрос о внешнем управлении режимами хемоконвекции при модулировании потока реагента, поступающего в кювету. Расчеты показали, что увеличение потока реагентов на входе в реактор подавляет крупномасштабную конвекцию, стабилизирует работу реактора и увеличивает выход продукта, но уменьшает процент выхода. Дальнейшее повышение эффективности может быть обеспечено выбором топологии подвода реагентов и отвода продуктов. Например, в микрореакторе для реакции нейтрализации, с учетом того, что продукт реакции легче реагентов и всплывает вверх, генерируя крупномасштабную конвекцию, имеет смысл топология подвода кислоты и отвода продуктов в верхней части реактора. Это позволит свести к минимуму крупномасштабную конвекцию, создать устойчивый фронт реакции с мелкомасштабной конвекцией, обеспечивающей необходимую скорость реакции. Теоретически исследовано влияние высокочастотных вибраций на хемоконвективные структуры, скорость реакции и динамику фронта реакции были выведены уравнения вибрационной конвекции для случая химических реакций, когда время протекания химической реакции сопоставимо с временами гидродинамических процессов, но намного больше периода вибраций. Данные уравнения возможно использовать для химических микрореакторов, в которых времена гидродинамических процессов составляют секунды. Полученные уравнения были использованы для изучения возможности управления скачкообразным изменением плотности, быстро распространяющемся в растворе и приводящей к аномально быстрому выгоранию реагентов в своём спутном потоке. Решение показало, что вибрации высокой частоты и достаточной амплитуды, направленные перпендикулярно фронту реакции, замедляют скорость реакции, подавляя конвективные структуры в спутном потоке волны, вызванные конвективной неустойчивостью. Выявлена возможность эффективного управления данным видом реакции: при включении вибраций реакция замедляется, конвекция подавляется и волна останавливается; после отключения вибраций реакция и движение волны возобновляются. Для случая линейно-поляризованных периодических вибраций конечной частоты, действующих в слое вдоль фронта реакции, было получено точное нестационарное решение для основного течения, поля концентрации и давления. Физическим механизмом движения жидкости является неодинаковое воздействие переменного инерционного поля на ламинарные слои различной плотности, которые формируются в ходе протекающей химической реакции. Адреса в сети, посвященные проекту: https://vk.com/public164898819 https://www.researchgate.net/project/Chemo-convective-systems-under-constant-or-variable-inertial-field

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На втором году выполнения проекта был проведен широкий комплекс экспериментальных и теоретических исследований смешивающихся реагирующих растворов, в которых было продолжено изучение процессов реакции-диффузии-конвекции как в случае статического поля тяжести, так и переменного по пространству и по времени инерционного поля (центрифугирование и линейно-поляризованные периодические вибрации). Было исследовано поведение системы, если слои реагирующих растворов являются несмешивающимися и разделены межфазной границей. Начаты работы по изучению особенностей протекания процессов массопереноса в микрожидкостных устройствах с характерным размером канала 100 мкм. Рассмотрены вопросы внешнего управления указанными процессами с помощью манипуляций в реальном времени геометрией реактора. Остановимся подробнее на описании результатов этих исследований. Впервые экспериментально исследованы хемоконвективные структуры, возникающие при фронтальной химической реакции второго порядка между смешивающимися растворами «слабой» кислоты и «сильного» основания, помещенными под действие статического поля тяжести. Под «слабой» кислотой понимается такой реагент, у которого наблюдается низкая степень диссоциации, то есть часть молекул при разбавлении такой кислоты водой не распадается на ионы, а остаётся в связанной форме. В экспериментах использовалась уксусная кислота и «сильные» основания LiOH и NaOH. Было показано, что, несмотря на ограниченную диссоциацию используемой уксусной кислоты по сравнению с поведением «сильных» кислот HCl и HNO3, рассмотренных годом ранее, фронт реакции остается горизонтальным и тонким, а эволюция реакции, как и в смешивающихся системах «сильная кислота – сильное основание» определяется все тем же безразмерным критерием подобия Krho, введенным авторами ранее, и который равен отношению плотности реакционной зоны к плотности верхнего раствора. На основе расчета данного параметра получена подробная карта режимов протекания процессов реакции-диффузии-конвекции для пары уксусная кислота – LiOH, на которой выделены области существования конвективно-контролируемого (Krho<1) и диффузионно-контролируемого режимов (Krho>1). Хотя качественно процессы для некоторых пар похожи на то, что наблюдалось для сильных кислот, были обнаружены и отличия от сценария «сильных» кислот, что требует дальнейших исследований и привлечения теоретического анализа. Впервые экспериментально и теоретически были исследованы хемоконвективные структуры, возникающие при фронтальной химической реакции второго порядка «сильная» кислота – «сильное» основание в системе несмешивающихся растворителей (вода–пентанол), помещенных под действие статического поля тяжести. Эксперимент поставлен был так, чтобы исключить влияния эффектов Марангони. Экспериментально показано, что слой органического растворителя (верхний слой) не играет принципиальной роли в эволюции системы и выступает в качестве пассивного резервуара кислоты с заданным массопотоком на границе. По характеру протекания реакции сценарии были разделены на два типа режимов: конвективно-контролируемый и диффузионно-контролируемый. Однако, наблюдаемые структуры ячеистой конвекции существенно отличаются от подобных структур в смешивающихся системах: ячейки удлиняются в вертикальном направлении, увеличивая аспектное отношение более чем в 10 раз. Комплекс измерений позволили авторам ввести новый безразмерный параметр (аналог параметра Krho в смешивающихся системах), предварительная оценка которого способна предсказать выбор системой режима протекания процессов. Результаты расчетов, основанных на безразмерном параметре, и результаты, полученные в экспериментах, хорошо согласуются друг с другом на карте режимов, что подтверждает правильность физической интерпретации наблюдаемых явлений. Введенный новый критерий подобия позволяет получить теоретическую карту устойчивости, проводя численный анализ динамики вертикального профиля плотности нижнего слоя, который формируется в рамках основного состояния реакции-диффузии. Кроме того, была решена задача устойчивости основного состояния двухслойной системы несмешивающихся реагирующих жидкостей в поле тяжести по отношению к бесконечно-малым возмущениям. Задача была решена в постановке, которая наиболее близка к экспериментальной постановке задачи, в которой два однородных в начальный момент раствора приводятся в контакт, после которого состояние системы необратимо меняется во времени. Анализ устойчивости был проведен с помощью метода IVP, который включает совместное интегрирование по времени методом конечных разностей нестационарных уравнений основного состояния и уравнений для малых нормальных возмущений для фиксированного волнового числа. Численный анализ показал, что результаты теории линейной устойчивости совпадают с результатами, которые были получены при анализе профиля плотности в основном состоянии. Задача о химически реагирующей капле даёт пример неплоской межфазной границы. Экспериментально изучено развитие реакции нейтрализации при диффузии реагента из нерастворимой капли, медленно всплывающей в неподвижном растворе щелочи. Капля из хлорбензола находилась в узком вертикальном зазоре, что приводит к квазидвумерным движениям и позволяло применить Физо интерферометрию для наблюдений за полями концентрации реагента (уксусная кислота) в капле и продуктов реакции в окружающей среде (водный раствор NaOH). Для сравнения также был исследован случай диффузии реагента из капли, всплывающей в химически нейтральной жидкости. Обнаружено, что во всех рассмотренных случаях общим является формирование в верхней части капли неустойчивой стратификации плотности смеси с пониженной концентрацией кислоты вследствие ее диффузии в окружающую среду. В дальнейшем наблюдалось падение концентрационных «пальцев». В тоже время всплывающие капли объединяет возникновение зоны с малым перепадом концентрации в нижней части капли за счет ускоренного сноса обедненной смеси благодаря движению межфазной границы. Появление прослойки раствора между торцами капли и стенками зазора ведет более, чем к двукратному увеличению интенсивности массообмена между каплей и окружающей средой как в случае реакции, так и в случае диффузии кислоты в химически нейтральную среду. Выявлен механизм влияния тепловыделения на динамику массообмена между каплей и окружающей средой. Обнаружено, что интенсивность массообмена возрастает с уменьшением размера реагирующей капли. Полученные количественные результаты могут быть использованы для верификации теоретических моделей. Впервые экспериментально и теоретически исследовано развитие процессов реакции-диффузии-конвекции в двухслойной системе смешивающихся химически реагирующих растворов, помещенных под действие поля центробежной силы. В части экспериментального исследования (использовались кислота HCl и основание NaOH) были обнаружены все три сценария протекания процессов реакции-диффузии-конвекции, выявленных ранее в статическом поле тяжести: диффузионный, конвективный и режим периодических ячеек. На отчетном этапе работ было решено сфокусироваться на исследовании режима хемоячеек. Исследована эволюция конвективных ячеек в зависимости от радиального положения начальной линии контакта слоев и от угловой скорости вращения реактора. Обнаружено, что увеличение обоих параметров приводит к существенному увеличению скорости фронта реакции и более быстрому развитию и эволюции конвективных ячеек. Обнаружено также, что длительность процесса существенно меньше при перегрузках, что можно объяснить большей интенсивностью конвективного движения и, следовательно, более быстрым выгоранием реагентов, растворенных в слоях. Теоретическое рассмотрение было проведено в форме прямого численного моделирования уравнений реакции-диффузии-конвекции для растворов HNO3 и NaOH. Все основные качественные выводы экспериментов были подтверждены. Кроме этого, при определенных значениях параметра перегрузки в численном расчете были получены и новые явления: флуктуации плотности приводили к тому, что отдельные ячейки (вихри) покидали периодическую структуру, сформировавшуюся в потенциальной яме, и радиально выстреливали в виде тонких фингеров в направлении от оси вращения. Кроме того, анализ полей скорости и концентраций, полученных численно в области параметров формирования волны плотности, позволил выявить любопытный факт, который в статическом случае отсутствовал: как оказалось, вся область спутного потока за волной плотности покрыта квазистационарной сетью каналов, по которым свежая кислота подается от оси вращения к волновому фронту. Впервые экспериментально и теоретически была изучена задача о высокочастотных линейно-поляризованных вибрациях, наложенных на двухслойную систему смешивающихся реагирующих растворов в поперечном к контактной поверхности направлении. В экспериментах получены количественные данные об интенсивности хемоконвекции и её эволюции при различных химических и вибрационных параметрах. Отработана методика для исследования эволюции хемовибрационной конвекции по данным трассерной визуализации. Построены карты безразмерных параметров, отвечающих за вклад вибраций, на плоскости начальных концентраций. Проведённый анализ результатов и сравнение с гравитационным случаем показали, что динамика системы определяется сложным соотношением ряда параметров. При движении на плоскости параметров вдоль изопикны в сторону повышения начальных концентраций возрастает амплитудный вклад вибрационного поля. В целом, изменения плотности в поперечном фронту реакции направлении оказались настолько малыми, что перпендикулярные фронту высокочастотные вибрации не могли достичь требуемых значений вибрационного числа Рэлея. Эффект вибрационного воздействия на волну плотности при этих значениях управляющего параметра был рассмотрен теоретически. Было показано, что в этом случае наблюдается следующий сценарий: при достижении критического значения вибрационного воздействия волна плотности полностью останавливалась, и система выходила из конвективно-контролируемого режима, т.е. скачок плотности расплывался. При ослаблении вибрационного воздействия волна плотности снова фокусировалась и возобновляла своё движение, возвращаясь в конвективно-контролируемый режим. Была решена задача о линейной устойчивости пульсирующего плоско- параллельного течения химически реагирующей жидкости, заполняющей плоский слой, по отношению к бесконечно малым нормальным возмущениям. Предполагалось, что пульсации вызываются линейно поляризованными вдоль слоя вибрациями конечной частоты, а в слое протекает химическая реакция первого порядка. В этом случае, как было показано годом ранее, может быть получено точное решение для основного периодически пульсирующего течения. Разделение переменных в спектрально-амплитудной задаче была было выполнено методом Галеркина. Полученная таким образом система ОДУ с периодическими по времени коэффициентами решалась методом Флоке, который включал расчет матрицы монодромии при интегрировании уравнений на периоде пульсаций основного состояния. Были получены минимизированные по волновому числу нейтральные кривые на плоскости амплитуда вибраций - обратная частота. Обнаружено, что наиболее опасными возмущения являются квазипериодическими. Это объясняется тем, что химическая реакция приводит к несимметричности основного течения. Впервые теоретически и частично экспериментально был исследован вопрос об управлении волной плотности с помощью манипуляций геометрией полости. Новые режимы протекания процессов реакции-диффузии-конвекции, обнаруженные авторами экспериментально и описанные теоретически на первом году выполнения проекта, являются весьма перспективными с точки зрения регулирования интенсивности этих процессов. Например, «включение» и «выключение» режима ударного скачка плотности ускоряет протекание реакции на два порядка. Теоретически было рассмотрено два механизма внешнего воздействия на систему, которые включают (a) деформирование в реальном времени формы стенок реактора для локального изменения проницаемости; (б) размещение в потоке специальных регулируемых препятствий. Было показано, что в обоих случаях, чтобы управлять волной, воздействие должно быть оказано не на сам скачок плотности, а на интенсивность спутного потока. В этом случае волна мгновенно останавливалась в условиях ослабления потоков свежих реагентов к фронту, и система переходила в режим вяло текущей реакции. Этот вывод был полностью подтвержден экспериментально в случае наклонного неодносвязного препятствия, помещенного в поток и имеющего регулируемый угол наклона к спутному потоку. Было показано, что волна плотности обходит препятствие с обеих сторон, но та часть волны, у которой отсекается её конвективный хвост, начинает систематически отставать. Показано, что закон отставания имеет корневую зависимость, а между результатами теории и эксперимента наблюдается отличное согласие. Был проведен комплекс предварительных экспериментальных наблюдений за процессами смешения реагирующих растворов, помещенных в микрожидкостном Y-образном чипе. Для этого была собрана установка, которая включает в себя два высокоточных микронасоса для независимой подачи растворов, микрочип, компьютер для регулирования подачи растворов и цифровой микроскоп для наблюдений за процессами реакции-диффузии-конвекции в микрореакторе. Тестовые эксперименты проводились с Y-образным микрочипом с характерной шириной канала 100 мкм и длиной 2 см. Такая конфигурация позволяет независимо подавать растворы и наблюдать процесс их смешения. В качестве рабочих жидкостей были использованы водный раствор CuSO4 и дистиллированная вода, которые позволили отработать технологию контроля за интенсивностью течения, а также методику наблюдений и регистрации данных через микроскоп. На третьем году выполнения проекта данная установка будет использована для изучения реагирующих смешивающихся растворов. Информация о проекте представлена в группе ВК "Лаборатория хемобиодинамики" https://vk.com/hebi_lab, а также на страничке руководителя проекта в ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Dmitry_Bratsun

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В течении третьего года выполнения проекта было изучено влияние различных видов инерционного поля (статическое поле тяжести, центрифугирование, линейно-поляризованные вибрации) на устойчивость реагирующих смесей. В случае статического поля тяжести была изучена система водных растворов, представленная парой «слабая кислота–сильное основание». Под слабостью кислоты понимается частичная диссоциация её молекул. В качестве модельных реагентов были использованы растворы уксусной кислоты и двух сильных гидроксида щелочных металлов LiOH и NaOH. Процесс взаимного смешивания и реагирования растворов был исследован как теоретически, так и экспериментально. Теоретически были построены карты устойчивости на плоскости управляющих параметров, - начальных концентраций растворов. Метод построения карт включал анализ профиля плотности среды в основном состоянии, когда протекают процессы только реакции и диффузии, но макроскопическое движение жидкости отсутствует. Экспериментальное исследование включало десятки опытов с растворами разных начальных концентраций, помещенных в вертикально ориентированную ячейку Хеле-Шоу. Комплекс проведенных экспериментальных наблюдений и теоретических расчетов показал, что карта устойчивости для слабой кислоты выглядит качественно также, как и для сильных кислот. Обнаружение для органических слабых кислот тех же зон неустойчивости, что и в случае неорганических сильных кислот, говорит об общности наблюдаемых эффектов. Было обнаружено также, что расчетные границы областей параметров обоих режимов не везде совпадают с экспериментальными. Для корректировки карт режимов реакции предложен способ учета неполной диссоциации кислоты, который позволил добиться согласования теории с экспериментальными результатами. Было проведено экспериментальное исследование процессов смешения в микрожидкостном Y-образном реакторе, в который одновременно поступали свежие растворы «сильной» кислоты (азотная кислота) и «сильного» основания (гидроксид натрия), а продукт реакции выводился через третий канал. Был изготовлен чип с характерным горизонтальным размером 200 микрон и изучены режимы хемоконвекции при разных концентрациях входящих растворов и скорости их прокачки. Показано, что механизм подъемной силы, связанный с силой тяжести может быть использован для эффективного смешивания растворов за счет развития хемоконвекции. В зависимости от концентраций входящих растворов в потоке может развиться одна из неустойчивостей, обнаруженных при выполнении проекта в рамках диффузионно- или конвективно-контролируемого режима протекания реакции. Последний случай показал себя наиболее эффективным при перемешивании. В целом, каждый тип конвекции требует определенного времени развития возмущений, что накладывает ограничение на длину канала. Получена зависимость эффективности смешивания от скорости прокачивания жидкости. В случае центробежного поля, было проведено экспериментальное и теоретическое исследование поведения системы «сильная кислота–сильное основание», заполняющей ячейку Хеле-Шоу, которая совершала равномерные вращения вокруг перпендикулярной оси. В отличие от статики, инерционное поле здесь менялось по пространству, усиливаясь при удалении от оси вращения. Таким образом, в одной и той же кювете реализуется как случай микрогравитации (вблизи оси вращения), так и гипертяготения (вдали от оси). Кроме того, при центрифугирования наблюдатель имеет возможность менять интенсивность вращения в широких пределах. Экспериментальное исследование выполнялось в цилиндрическом реакторе диаметром 8 см и высотой 12 мм, расположенном горизонтально. В качестве рабочих жидкостей были использованы водные растворы азотной кислоты и гидроксида натрия. Для предохранения системы от преждевременного смешения в процессе заливки растворов, была разработана специальная внутренняя вставка, которая минимизировала контакт реагентов между собой. Эксперименты проводились при частоте вращения реактора 10 об/сек, что соответствовало уровню перегрузок 6g в области начального положения границы между слоями. Было показано, что, как и в статике, существует два режима протекания реакции, конвективный и диффузионный. Было зафиксировано увеличение конвективного массообмена вблизи фронта реакции за счет более быстрого распространения фронта реакции по сравнению со случаем статики. Напротив, скорость движения фронта в диффузионном режиме не изменяется по сравнению с опытами в постоянном поле тяжести. В части теоретического исследования была рассмотрена кювету, обладающая полноценной цилиндрической симметрией. Анализ осуществлялся для начального состояния в виде двух коаксиальных слоев смешивающихся водных растворов азотной кислоты и гидроксида натрия, разделенных тонкой диффузионной границей. Кювета считалась настолько тонкой, чтобы сила Кориолиса не оказывала влияние на движение жидкости. Таким образом, рассматривались только плоские движения в плоскости ячейки Хеле-Шоу, что позволяло сформулировать задачу в рамках двухполевого описания функция тока - завихренность. Для основного состояния были построены профили плотности и составлена карта устойчивости в зависимости от значений начальных концентраций основания и кислоты. В области неустойчивости динамика системы изучалась численно. Было показано, что зависимость коэффициентов диффузии компонентов смеси от их концентрации приводит к возникновению цилиндрической потенциальной ямы в профиле плотности. Под действием центробежной силы в яме может развиться конвективное движение в виде периодической последовательности хемоконвективных ячеек. При достаточном удалении поверхности начального контакта растворов от оси вращения примыкающая к оси область жидкости становится неустойчивой, в результате чего возникает крупномасштабное вихревое движение, формирующее радиальные направления для доставки кислоты из центра полости к фронту реакции. На систему ячеек внутри потенциальной ямы это оказывает модулирующее воздействие, вследствие чего их периодичность может быть нарушена. В поперечном сечении поле плотности имеет вид ступенчатой функции с резким падением в области реакционного фронта. За счет интенсивного вихревого движения в области с пониженной плотностью данный скачок очень быстро распространяется в направлении инерционного поля, что позволяет провести аналогию с ударной волной. Структура течения позади скачка неоднородна: в центральном слое появляется разветвленная система каналов, которые осуществляют доставку кислоты к фронту реакции. Скорость распространения волнового фронта растет с увеличением перегрузки. Продемонстрировано хорошее согласие между теорией и экспериментом. В случае исследования влияния линейно-поляризованных вибраций были экспериментально изучены структуры и интенсивность хемоконвекции при фронтальной реакции нейтрализации в вертикально ориентированной вибрирующей ячейке Хеле-Шоу. Причем были рассмотрены вибрации как поперек, так и вдоль фронта реакции. Эксперименты выполнялись только при конвективном режиме протекания реакции, который является наиболее интересным с точки зрения управления массопереносом. Проведено сравнение с безвибрационным случаем. В экспериментах использовалась вертикальная ячейка, изготовленная из двух прямоугольных полупрозрачных стёкол и имеющая следующие внутренние размеры: высота 10 см, ширина 5 см, толщина 12 мм. Боковые стороны были образованы герметично приклеенными стёклами, что позволило осветить рабочий слой лазерным световым ножом и применить цифровую трассерную анемометрию для изучения конвекции. Перед началом эксперимента ячейка устанавливалась на подвижную платформу электродинамического вибратора, производящего высокочастотные поступательные колебания. Затем в ячейке формировалась двухслойная система из растворов кислоты и основания с близким к ступенчатому начальным профилем плотности. Эксперименты выполнялись при частоте вибраций 40 Гц и амплитуде 2-4 мм. Этим параметрам соответствуют перегрузки в диапазоне 15-30. Было обнаружено, что ответ системы на горизонтальные и вертикальные вибрации качественно разный. В случае вертикальных вибраций (поперек реакционного фронта) динамика поведения смеси в конвективном режиме довольно сложна. В силу высокой скорости реакции и интенсивной конвекции в верхнем слое быстро снижается концентрация реагента, в то время как в нижнем реагенте на первом этапе концентрация остаётся практически постоянной. Это приводит к тому, что соотношение концентраций реагентов непрерывно изменяется во время эксперимента. Задача характеризуется непрерывно изменяющимися граничными условиями, относительным размером верхнего слоя, концентрацией верхнего реагента. Был сделан вывод о том, что, если течение успевает установиться раньше, чем система выйдет из состояния квазиравновесия, то на некотором отрезке времени к ней могут быть применены законы вибрационной (т.е. осредненной) конвекции. В противном случае система будет вести себя, как абсолютно нестационарная, и её описание существенно усложняется. В рамках теоретического рассмотрения, были выведены управляющие уравнения для реагирующей смеси. Считая частоту вибраций достаточно высокой, чтобы работать в высокочастотном пределе, были получены уравнения осредненного движения. Для этого был применен метод многих временных масштабов. Принципиальным моментом здесь является характерное время протекания скорости реакции. Наиболее простой вывод уравнений получается, если химические реакции носят не взрывной характер, и время протекания реакции сопоставимо с временами гидродинамических процессов, но намного больше периода вибрации. В реальных условиях, когда реакция протекает в распределенной среде, вероятность встречи ионов мала и реакция в этом случае может протекать достаточно долго. Таким образом, сделанное предположение вполне обосновано для слабо концентрированных растворов (до 3 моль/л). Используя систему осредненных уравнений, выведенных в указанном выше случае, было проведено численное моделирование влияния высокочастотных вибраций, направленных вдоль первоначальной линии фронта реакции. Было обнаружено как численно, так и экспериментально, что сценарий дестабилизации системы в основных чертах схож со сценарием в случае без реакций, который исследовался ранее в работах других авторов. Было показано, что диффузионная поверхность раздела двух смешивающихся растворов испытывает неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, которая проявляет себя в виде пилообразной формы поверхности, перерастающих в прямоугольные ступеньки. Кроме того, была зафиксирована вторичная неустойчивость в виде ряби Фарадея, формирующейся на внутренних стенках прямоугольных пальцев. Тем не менее, картина в реакционном случае выглядит гораздо сложнее. Во-первых, в нашем случае мы имеем дело с четверным раствором (вода, кислота, основание и соль), которые создают сложное распределение плотности в кювете. Во-вторых, процесс сопровождается химическими превращениями, которые в реальном времени изменяют поле плотности. Это приводит к появлению, например, изолированных областей ("островов"), которые имеют либо меньшую, либо большую плотность по отношению к окружающей среде. В случае без реакции такие явления не наблюдались. Результаты выполнения проекта обсуждаются в ВК группе "Лаборатория хемобиодинамики" по адресу: https://vk.com/hebi_lab , а также на страничке руководителя проекта в Research Gate: https://www.researchgate.net/profile/Dmitry_Bratsun