Проект № 19-11-00133-П. Хемоконвекция реагирующих растворов с концентрационно-зависимыми законами диффузии. Этап I. Промежуточный этап за 2022 г.

Экспериментально и теоретически исследованы процессы смешения в микрожидкостном проточном реакторе Y-типа, в котором растворы перемешиваются за счет механизмов естественной конвекции. Изготовлены микрочипы с характерным размером до 70 мкм. В качестве рабочих жидкостей были использованы водные растворы неорганических соединений. Разработана математическая модель явления на основе 3D уравнения Навье-Стокса. При заданных веществах управляющим параметром задачи выступает скорость прокачивания растворов через устройство. Для серии веществ показано, что вплоть до каналов шириной 70 мкм в микрореакторе развивается неустойчивость, чувствительная к полю тяжести. Показано, что при длине канала 7 см конвекция эффективно перемешивает поступающие растворы вплоть до скорости прокачивания 0.03 мл/мин. Предложенная методика использует естественную энергию гравитационного поля и не требует усложнения топологии микроканала. Экспериментально и теоретически исследованы процессы в проточных микрожидкостных устройствах со встроенным смесителем Марангони. Разработано несколько схем микрочипов размером до 200 мкм и диапазоном расхода жидкости от 0 до 0.02 мл/мин. Математическая модель включала уравнения движения для каждой фазы, недеформированную межфазную границу. Обнаружено, что наиболее эффективной схемой является несимметричный микрочип T-типа со встроенными пузырьками. Устройство работает адаптивно: конвекция Марангони включается, когда вблизи межфазной поверхности формируется неоднородное распределение ПАВ. Показано, что период колебаний зависит от концентрации ПАВ, определены критические значения расхода растворов, при котором конвекция при заданной длине выходного канала еще работает (не более 0.02 мл/мин). Экспериментально исследованы процессы переноса в замкнутом микрореакторе при диффузии кислоты через межфазную границу в каплю с раствором основания. Капля располагалась в узком зазоре между двумя прозрачными вертикальными пластинами, которые позволяли применить оптические методы наблюдения. Был обнаружен новый колебательный режима концентрационной конвекции Марангони. Для химически нейтральной капли определены зависимости вертикального распределения концентрации, ее минимального и среднего значений внутри капли от времени и начального содержания ПАВ в окружающей среде. Теоретически исследованы процессы массопереноса вблизи межфазной границы несмешивающихся растворов с учетом силы тяжести. Рассмотрена модельная система двух жидкостей, одна из которых – раствор сильной кислоты (HCl) в органическом растворителе, а другой – водный раствор сильного основания (NaOH). Обнаружены расхождения между стандартной теорией и экспериментом. Выдвинуто предположение о влияние выделения воды в ходе реакции нейтрализации, которое обычно не учитывается. Реакция нейтрализации протекает фронтально, поэтому вода выделяется в узкой области зоны реакции, в которой эффект разбавления может быть значительным. Уравнения движения были модифицированы путем введения интегрального соотношения, которое вносит поправку для слагаемого плавучести соли. Численное моделирование модифицированной системы уравнений показало хорошее с экспериментальными данными. Получены структуры хемоконвекции, выявлены основные бифуркации в системе. Экспериментально и теоретически исследовано воздействие центрифугирования на динамику двухслойной системы несмешивающихся жидкостей в условиях фронтальной реакции нейтрализации. Стенки реактора были изготовлены из оптического стекла с покрытием, частично отражающим свет, что позволяло получать интерференционную картину, которая восстанавливалась по специальной методике. Влияние перегрузок исследовано вплоть до 6g. Решена задача устойчивости основного состояния в предположении, что межфазная граница не деформируется, реакция протекает только в водной фазе, эффект Марангони отсутствует. Показано, что сценарий эволюции системы определяется наличием в распределении плотности потенциальной ямы, которая формируется вблизи межфазной поверхности. При определенном соотношении начальных концентраций в яме возникает периодическая последовательность хемоконвективных вихрей. Увеличение скорости вращения приводит к нарушению периодичности данной структуры. Экспериментально и теоретически исследовано воздействие линейно-поляризованных горизонтальных вибраций на динамику двухслойной системы смешивающихся растворов. Изготовлен электромеханический вибростенд, обеспечивающий вибрации с амплитудой до 5 см и частотой до 15 Гц. В случае без реакции обнаружено формирование квазистационарного рельефа на границе между растворами. Рельеф занимает среднюю часть границы раздела, при этом его протяжённость уменьшается при понижении интенсивности вибраций. В случае реакции рельеф испытывает вторичную неустойчивость. Построена карта режимов неустойчивости на плоскости вибрационный параметр-время. Предполагая частоту вибраций большой, были получены определяющие уравнения осредненной виброконвекции. Получено хорошее согласие теории с экспериментом.