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.