В старейшем научном англоязычном журнале
планеты Philosophical Transactions of the Royal Society вышла статья Nonlinear
development of convective patterns driven by a neutralization reaction in
immiscible two-layer systems авторского коллектива, представленного учеными из
Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) Мизёва А. И.,
Шмыровой А. И. и Пермского национально исследовательского политехнического
университета Брацуна Д. А., Уточкина В. и Некрасова С.
Совместная работа ученых посвящена
теоретическому и экспериментальному исследованию развития гидродинамической
неустойчивости в изначально неподвижной жидкой среде в условиях протекания в
ней химической реакции. Процессы преобразования реагентов и образования
продукта реакции сопровождаются локальными изменениями физико-химических
характеристик среды, способными приводить к развитию крупномасштабного
конвективного движения жидкости, что, в свою очередь, может существенно
поменять пространственное распределение реагентов и скорость протекания
реакции. Учет таких нелинейных эффектов становится необходим при построении
моделей различных технологических процессов в химической, металлургической и
нефтеперерабатывающей промышленности.
Интерес исследователей к данному классу задач
поддерживается на протяжении последних пятидесяти лет и привел к появлению
отдельной области знаний – химической гидродинамике.
Представленная в статье работа авторского коллектива
посвящена исследованию реакции нейтрализации в ситуации, когда реагенты
изначально расположены в слоях несмешивающихся растворителей и могут проникать
в соседние слои за счет диффузионных процессов.
Ранее в таких системах неоднократно наблюдалось
развитие упорядоченных конвективных структур, изначально возникающих вблизи
межфазной поверхности, появление которых не удавалось воспроизвести в рамках
существующих теоретических моделей.
Специально разработанная постановка экспериментов и
выбор реакционных систем позволили коллективу авторов предложить физический
механизм, ответственный за протекающие процессы, и построить теоретическую
модель явления. В основу модели заложена идея о необходимости учета
производства воды в ходе реакции. Несмотря на очевидность данного процесса с
точки зрения химии, в химической гидродинамике этим традиционно пренебрегалось
в силу малых концентраций реагентов. Добавление новых слагаемых в известные
уравнения реакции-диффузии-конвекции позволили впервые воспроизвести
наблюдаемые режимы течения, возникающие при различных соотношениях концентраций
реагентов.
Полученные в рамках модели результаты находятся в
отличном согласии с результатами лабораторных наблюдений как самих авторов, так
и экспериментов, проведенных ранее другими исследовательскими группами.
Статья авторского коллектива получила высокую оценку
независимых рецензентов и была принята журналом к опубликованию. Исследования
проводятся в рамках научного проекта, финансируемого Российским Научным Фондом
(проект № 19-11-00133).
Справка: Журнал Philosophical Transactions of the
Royal Society издается Лондонским королевским обществом с 1665 года и является
первым и наиболее влиятельным периодическим научным изданием Европы. В разные
годы в журнале публиковали свои исследования Исаак Ньютон, Бенджамин Франклин,
Антони Ван Левенгук, Майкл Фарадей, Алан Тьюринг, Стивен Хокинг.
Источник: ПФИЦ УрО РАН.