Concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids

Abstract

We report new chemoconvective pattern formation phenomena observed in a two-layer system of miscible fluids filling a vertical Hele-Shaw cell. We show both experimentally and theoretically that the concentration-dependent diffusion coupled with the frontal acid-base neutralization can give rise to formation of the local unstable zone low in density resulting in a perfectly regular cell-type convective pattern. The described effect gives an example of yet another powerful mechanism which allows the reaction-diffusion processes to govern the flow of reacting fluids under gravity condition.

Внутренние Волны Плотности Ударного Типа, Индуцированные Хемоконвекцией В Смешивающихся Реагирующих Жидкостях

“…Были выделены неустойчивости двойной диффузии (DD-конвекция), диф-фузионного слоя (DLC-конвекция) и Рэлея−Тейлора (RT-конвекция). Однако в работах автора с коллегами [7,8] было показано, что такая классификация не является полной, так как, вообще говоря, коэф-фициенты диффузии реагентов зависят от концентрации растворов, что может приводить к полной перестройке профиля плотности в ходе реакции. Это может приводить к возникновению неустойчивости, локализованной в карманах плотности, которую авторы назвали конвек-цией концентрационно-зависимой диффузии (CDD-конвекция) [7].…”

“…Однако в работах автора с коллегами [7,8] было показано, что такая классификация не является полной, так как, вообще говоря, коэф-фициенты диффузии реагентов зависят от концентрации растворов, что может приводить к полной перестройке профиля плотности в ходе реакции. Это может приводить к возникновению неустойчивости, локализованной в карманах плотности, которую авторы назвали конвек-цией концентрационно-зависимой диффузии (CDD-конвекция) [7]. Она представляет собой периодическую систему хемоконвективных ячеек, формирующихся параллельно фронту реакции и перпендикулярно на-правлению силы тяжести [8].…”

“…Ранее было обнаружено [7], что зависимость коэффициентов диффузии реагентов от концентраций критически влияет на эволюцию системы. Для пары HNO 3 /NaOH на основе эмпирических данных были построены линейные аппроксимации зависимостей, дающие приемлемый результат вплоть до концентраций 3 mol/l:…”

“…Таким образом, единственным свободным параметром задачи остается B 0 /A 0 . Задача (1)−(7) решалась численно методом конечных разностей, детали которого изложены в [7,8].…”

“…1, точка 2 и профиль плотности 2). Причина его появления обсуждалась в работах [7,8]: скорость диффузии соли (6) быстро уменьшается с ростом ее концентрации, что приводит к локальному накоплению продукта реакции в зоне реакции. Так как соль достаточно тяжелая, ее вклад в плотность (5) существен, что приводит к возникновению локального максимума плотности.…”