Хемоконвекция реагирующих растворов с концентрационно-зависимыми законами диффузии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-11-00133

НазваниеХемоконвекция реагирующих растворов с концентрационно-зависимыми законами диффузии

Руководитель Брацун Дмитрий Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-312 - Физико-химическая гидродинамика

Ключевые слова физико-химическая гидродинамика, конвективная неустойчивость, концентрационно-зависимая диффузия, фронтальная химическая реакция, центробежное поле, вибрации, оптические методы

Код ГРНТИ30.51.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение особенностей формирования хемоконвективных структур, возникающих при приведении в контакт двух растворов реагентов, после чего начинается фронтальная химическая реакция второго порядка. Интерес исследователей к междисциплинарным задачам, включающим процессы реакции-диффузии и конвекции, стимулируется как фундаментальными аспектам, связанными с поиском новых неустойчивостей, так и многочисленными технологическими приложениями, среди которых можно выделить нефтепереработку, сепарацию руд, получение фармацевтических компонент в проточных химических микрореакторах, борьбой с изменением климата путем утилизации углекислоты и т. д. Всё это определяет актуальность данной научной проблемы и быстро растущий список публикаций, посвященных хемоконвекции, а также высокую цитируемость работ в этой области. В недавних работах авторов проекта было установлено, что в двухслойной системе водных растворов азотной кислоты и гидроксида натрия, помещенных в статическое поле тяжести, при определенном соотношении начальных концентраций растворов возникают новые типы диссипативных структур, никогда до этого экспериментально не наблюдавшиеся и в литературе не описанные. К таким структурам можно отнести (i) регулярные периодические хемоконвективные ячейки, локализованные между массивами неподвижной жидкости, а также (ii) волну со скачкообразным изменением плотности, быстро распространяющуюся в жидкой среде и приводящую к аномально быстрому выгоранию реагентов в своём спутном потоке. Важнейшую роль в новом механизме структурообразования играет концентрационная зависимость коэффициентов диффузии растворенных компонент, - эффект, которым до сих пор в механике жидкости было принято пренебрегать, так как он не приводил обычно к качественным изменение в поведении исследуемой системы. Однако, в случае реагирующих растворов это оказалось не так. Авторами проекта в механику жидкости было введено новое понятие "неустойчивость концентрационно-зависимой диффузии" (в англоязычной литературе: CDD instability). Изучение нового типа конвективной неустойчивости, который ярко проявляет себя при смешивании реагирующих растворов наряду с хорошо известными неустойчивостями Рэлея-Тейлора, Рэлея-Бенара и двойной диффузии, определяет новизну предлагаемого научного проекта. Фундаментальность исследованию придает также то, что уравнения хемоконвекции, описывающие распространение скачка плотности, представляют собой математическую аналогию уравнениям газодинамики, в которых решение в форме классической ударной волны известно достаточно давно. Еще одной, широко известной "дозвуковой" аналогией является система уравнений Сен-Венана для распространения гравитационных поверхностных волн на мелкой воде. Эффективная сжимаемость среды в случае хемоконвекции возникает из-за того, что плотность среды зависит от концентрации реагентов, которые в ходе реакции изменяются в широких пределах. Таким образом, проект предполагает всестороннее исследование концентрационно-зависимых типов неустойчивости, что включает в себя рассмотрение различных ситуаций, в которых новая неустойчивость может себя проявить. Во-первых, планируется развернутое изучение обнаруженных явлений для гомологических рядов реагентов (органические и неорганические кислоты и гидроксиды щелочных металлов), что должно обеспечить общность полученных результатов. Экспериментально и теоретически будут изучены зависимости коэффициентов диффузии для каждого гомолога, построены карты устойчивости для различных сочетаний пар, изучены особенности формирования вторичных структур в каждом случае. Во-вторых, будут рассмотрены различные геометрии полостей: вертикальная ячейка Хеле-Шоу с плоским фронтом реакции между растворами; горизонтальная ячейка Хеле-Шоу с концентрическим фронтом реакции; двухмерная капля с раствором одного реагента, окруженная раствором другого реагента. В-третьих, будут рассмотрены как смешивающиеся растворы, так и системы с межфазной границей. Тема проекта имеет практическую значимость, так как ударный скачок плотности приводит к ускоренному темпу выгоранию реагентов, который по интенсивности превосходит известные ранее режимы хемоконвекции в сотни раз. Умение в нужный момент включать и выключать этот режим имеет важнейшее значение для технологических приложений. Планируется всесторонне изучить вопрос о перспективности применения переменных или неоднородных полей массовых сил для управления динамикой фронтальной химической реакции, что обосновывается чувствительностью систем с неоднородным распределением плотности к внешним инерционным полям. Экспериментально и теоретически будут рассмотрены различные виды внешнего инерционного поля: постоянное по величине и направлению поле тяжести, переменное по направлению инерционное поле (центробежное поле), переменное по величине инерционное поле (линейные вибрации). Еще одним направлением исследований в рамках проекта предлагается изучение протекания фронтальной химической реакции в микрожидкостных устройствах проточного типа. Микрореакторы с непрерывным потоком реагентов находятся в центре революции, которая происходит в химической технологии тонкого органического синтеза. В отличие от традиционных реакторов загрузочного типа, проточные реакторы имеют небольшой объем и обеспечивают высокий уровень перемешивания, что дает возможность осуществлять эффективный режим протекания реакции. Предполагается, что изучаемые в рамках проекта интенсивные режимы хемоконвекции, возникающие вследствие сложных законов диффузии реагентов, могут быть использованы для управления скоростью протекания реакции и степенью конверсии в микрореакторах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Брацун Д.А. Spatial analog of the two-frequency torus breakup in a nonlinear system of reactive miscible fluids Physical Review E, Volume 100, Issue 3, Art. 031104 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevE.100.031104

2. Брацун Д., Вяткин В. Closed-Form Non-Stationary Solutions for Thermo and Chemovibrational Viscous Flows Fluids, Volume 4, Issue 3, Art. 175 (год публикации - 2019)
10.3390/fluids4030175

3. Брацун Д.А. Modeling the spatial scenario of the transition to chaos via torus breakup in the problem with concentration–dependent diffusion Computer Research and Modeling, vol. 12, no. 1, pp. 1–24 (год публикации - 2020)

4. Брацун Д.А., Сираев Р.Р. Controlling mass transfer in a continuous-flow microreactor with a variable wall relief International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 113. - Art. 104522. - 5 p. (год публикации - 2020)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104522

5. Мошева Е., Козлов Н. Study of chemoconvection by PIV at neutralization reaction under normal and modulated gravity Experiments in Fluids (год публикации - 2021)
10.1007/s00348-020-03097-0

6. Денисова М.О., Костарев К.Г. Diffusion of a reagent from a slowly rising droplet with accompanying surface chemical reaction Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

7. Козлов Н. Numerical Investigation of Double-diffusive Convection at Vibrations Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

8. Уточкин В.Ю., Сираев Р.Р., Брацун Д.А. Centrifugal convection in a two-layer system of reacting miscible fluids Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

9. Брацун Д.А., Мизев А.И., Мошева Е.А., Сираев Р.Р. Effect of channel geometry on a density wave induced by gravity and chemoconvection in miscible reacting fluids AIP Advances (год публикации - 2020)
10.1063/5.0028383

10. Мизев А.И., Шмырова А.И. Buoyancy-driven instabilities induced by a neutralization reaction in immiscible fluids Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

11. Мизев А.И., Мошева Е.А., Брацун Д.А. Extended classification of the buoyancy-driven flows induced by a neutralization reaction in miscible fluids. Part 1. Experimental study Journal of Fluid Mechanics, vol. 916, A22 (год публикации - 2021)
10.1017/jfm.2021.201

12. Брацун Д.А., Мизев А.И., Мошева Е.А. Extended classification of the buoyancy-driven flows induced by a neutralization reaction in miscible fluids. Part 2. Theoretical study Journal of Fluid Mechanics, Vol. 916. A23 (год публикации - 2021)
10.1017/jfm.2021.202

13. Уточкин В.Ю., Сираев Р.Р., Брацун Д.А. Pattern Formation in Miscible Rotating Hele-Shaw Flows Induced by a Neutralization Reaction Microgravity Science and Technology, Vol. 33. Art. 67 (год публикации - 2021)
10.1007/s12217-021-09910-7

14. Денисова М.О., Костарев К.Г. The effect of Marangoni convection on mass transfer in a rising droplet with surface reaction Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

Публикации

7. Козлов Н. Numerical Investigation of Double-diffusive Convection at Vibrations Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

Публикации

7. Козлов Н. Numerical Investigation of Double-diffusive Convection at Vibrations Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)