Особенности временной эволюции хемо-гравитационной конвекции на сферической поверхности

А.В. Вязьмин, Д.А. Казенин, В.А. Каминский, С.П. Карлов (Москва)

Вопросы возникновения и временной эволюции конвективных структур, порождаемых и поддерживаемых химическими реакциями, явились предметом многочисленных исследований в связи с изучением формирования более интенсивных механизмов переноса вещества, по сравнению с обычной молекулярной диффузией. Явление хемо-гравитационной неустойчивости заключается в возникновении вблизи границы раздела газовой и жидкой фаз самопроизвольных конвективных течений за счет работы гравитационных сил, когда вблизи поверхности раздела протекает процесс хемосорбции, в результате которого образуется более тяжелый, чем окружающая жидкость, продукт реакции. Под действием гравитационных сил этот продукт оседает в окружающей жидкости, формируя конвективную картину, которая эволюционирует во времени. Основные закономерности возникновения и развития хемо-гравитационной неустойчивости на плоской границе раздела фаз газ-жидкость и на краевом мениске смачивания исследованы в [1, 2].

Экспериментально с помощью оптического микроскопа в режиме реального времени были исследованы особенности возникновения и эволюции хемо-гравитационной неустойчивости вблизи поверхности сферического пузырька диоксида углерода, созданного на конце иглы микрошприца и помещенного в водный раствор щелочи. Реакционный продукт образуется на поверхности пузырька в виде тонкой пленки через некоторый промежуток времени, который может составлять несколько секунд после замещения инертного газа диоксидом углерода. При этом хорошо заметны поднимающиеся вверх конвективные потоки нагретой за счет выделяющегося тепла химической реакции жидкости. Далее пленка реакционного продукта утолщается и начинает стекать вдоль поверхности пузырька книзу как отдельная «квазифаза», обладающая поверхностным натяжением. На заключительной стадии в нижней части пузырька формируются капли продукта реакции определенного размера, которые периодически отрываются от пузырька и осаждаются в окружающей жидкости, практически не смешиваясь с ней.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 02-02-16294).

 

1. Кутепов А.М., Покусаев Б.Г., Казенин Д.А., Карлов С.П., Вязьмин А.В. Экспериментальные исследования межфазного массопереноса в системе газ-жидкость оптическими методами.// Теор. основы хим. технол., 2001, Т. 35, С. 227-231.

2. Karlov S.P., Kazenin D.A., Vyazmin A.V. The time evolution of chemo-gravitational convection on a brim meniscus of wetting.// Physica A, 2002, V. 315, No. 1-4, P. 307-313.