Horizontally propagating three-dimensional chemo-hydrodynamic patterns in the chlorite-tetrathionate reaction

Abstract

Planar reaction fronts resulting from the coupling of exothermic autocatalytic reactions and transport processes can be deformed by convection in the presence of gravity field. We have experimentally investigated how buoyancy affects the spatiotemporal pattern formation at various solution thicknesses in three-dimensional medium. In the chlorite-tetrathionate reaction, a stable structure propagating horizontally with constant velocity and geometry develops when appropriately thick solutions are studied. Both the horizontal and the vertical projections of the resulting three-dimensional structures are quantitatively characterized: the smooth leading edge of the front is independent of the solution thickness and the structured trailing edge ends in a center cusp with a constant angle.

Introduction to the Focus Issue: Chemo-Hydrodynamic Patterns and Instabilities

“…P opity-T oth et al 48 investigate how buoyancy affects the spatiotemporal evolution of exothermic autocatalytic fronts in horizontal three-dimensional covered solution layers of various thicknesses. They characterize in detail the influence of the height of the solution layer on the resulting deformation of the front.…”

Convection induced by thermal gradients on thin reaction fronts

“…In these works, fluid density was considered a linear function of temperature and chemical concentration. These theories were also applied to three-dimensional convective systems with thermal and compositional gradients [9,16].…”

A konvektív instabilitás tanulmányozása homogén és pórusos közegben a klorit-tetrationát rendszerben

“…Doktori munkám egyik célja ezen eltérésnek a kvantitatív feltérképezése volt, kitérve a kiindulási koncentrációk, az oldat magasság és vastagság, a hőmérséklet, valamint a pórusos közeg alkalmazásának hatására [39][40][41]. Az oldatréteg vastagságának a korábbiakhoz ké-pesti jelentős mértékű növelésével háromdimenziós áramlás kialakulására nyílik lehetőség, amit egyszerű konvekciót [42], és összetett konvekciót [43] mutató rendszerekben is tanulmányoztak. Jelen disszertáció másik fontos eredménye a klorit-tetrationát rendszer három-dimenziós áramlási profiljának feltérképezése volt adott kísérleti körülmények között.…”

“…Pópity-Tóth Éva kísérletileg vizsgálta a klorit-tetrationát reakciót háromdimenziós kö-rülmények között, és azt a megállapítást tette, hogy amennyiben a folyadékréteg vastagsága meghalad egy kritikus értéket, a front egy állandó, de összetett alakkal és állandó sebességgel terjed [43]. Munkám során célom volt ezen állandósult alakzat kialakításáért felelős áramlási viszonyok feltérképezése és az ehhez szükséges részecske-képen alapuló sebesség-meghatározási módszer elvén működő kísérleti berendezés összeállítása.…”

“…A falmenti rétegekben a folyadék áramlását egy elnyúlt konvekciós gyűrű jellemzi, mely a front elején erőteljes lefelé áram-lást indukál, míg a közeg felfelé mozgása gyenge, és csak messze elnyúlva a front mögött észlelhető (a 6.19. ábra (a) képe). Távolodva az edény szélétől a konvekciós gyűrű egyre rövidül, és a frontmenti lefelé áramlás mellett egy erős, hosszan elnyúló feláramlás is kialakul a közegben (a 6.19. ábra (b) képe), amit a reaktánsoldat színének a reakciófront mögötti megjelenése is bizonyít a kísérletek alkalmával [43]. A folyadék középső részéről készített metszeten (a 6.19. ábra (c) képe) egy második konvekciós gyűrű kialakulását látjuk, amely az elsővel megegyező irányba forog.…”