Библиографическое описание:Конвективная неустойчивость в многокомпонентных смесях с эффектом Соре : научное издание / О. С. Захарова, Д. А. Брацун, И. И. Рыжков. - Текст : непосредственный // Вычислительная механика сплошных сред. - 2022. - Т. 15, № 1. - С. 67-82. - Часть исследований, которая включает линейный анализ и численные расчеты, выполнена Захаровой О.С., Брацуном Д.А. при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № FSNM-2020-0026); постановка задачи и вывод модельных уравнений выполнены Рыжковым И.И. в рамках государственного задания Института вычислительного моделирования СО РАН (проект 0287-2021-0003). - ISSN 1999-6691. - ISSN 2782-3709, DOI 10.7242/1999-6691/2022.15.1.6.
Аннотация:В работе исследуются режимы гравитационно-зависимой конвективной неустойчивости, возникающей в тройной смеси, из которой состоит плоский горизонтальный слой. Слой подогревается снизу и находится под действием силы тяжести, направленной перпендикулярно к слою. Таким образом, система допускает в качестве основного состояния механическое равновесие раствора, которое, при определенных условиях, может потерять устойчивость. Математическая модель включает в себя двумерные уравнения Навье-Стокса, уравнения переноса компонентов смеси, записанные с учетом эффекта Соре, и уравнение теплопроводности. При этом симметричный эффекту Соре перенос тепла при наличии градиента концентрации в расчет не принимается, так как в тройных смесях на водной основе он обычно несущественен. Также не рассматриваются эффекты, связанные с концентрационно-зависимой диффузией и кросс-диффузией растворенных компонентов. Изучение конвективной устойчивости проводится как в линейном приближении, так и в условиях конечно-амплитудных режимов конвекции. Анализ основного состояния раствора после линеаризации управляющих уравнений вблизи состояния механического равновесия показал, что здесь существуют различные режимы конвекции. Для них построены нейтральные кривые и зависимости декрементов нарастания возмущений от числа Релея и волнового числа. Обнаружено, что при подогреве тройной смеси снизу существует область параметров, в которой одновременно наблюдаются длинноволновая и коротковолновая моды колебательной неустойчивости. Численно исследовано нелинейное взаимодействие этих мод. Установлено, что указанные неустойчивости развиваются в таких тройных смесях, компоненты которых перераспределяются под действием эффекта Соре в различных направлениях относительно градиента температуры. Представлена зависимость структур течений и характеристик тепло- и массообмена от числа Релея.
We study the two-dimensional modes of gravity-dependent convective instability arising in a ternary mixture in a plane horizontal layer. The gravity force is oriented perpendicular to the layer heated from below. It is assumed that the system is in the state of mechanical equilibrium of a mixture considered as the base state of the system, which can become unstable under certain conditions. The mathematical model uses two-dimensional Navier-Stokes equations, transfer equations for describing mixture components with the Soret effect, and a heat transfer equation. Under the influence of a concentration gradient, the heat transfer symmetric to the Soret effect is neglected because it is usually small in water-based mixtures. The possible concentration-dependent diffusion and cross-diffusion of dissolved components are also neglected. We investigate a convective stability using linear approximation and under finite-amplitude convection regimes. The stability analysis of the base state after linearization of the governing equations with respect to the state of mechanical equilibrium predicts various convection modes. For each case, a neutral curve and the dependences of the disturbance growth decrements on both the Rayleigh number and the wave number are plotted. We show that in the case of the layer being heated from below, there are ranges of governing parameters where both long-wave and short-wave modes of oscillatory instability occur. The numerical analysis of a nonlinear coupling between these modes has revealed that such instabilities develop in the ternary mixtures whose components are arranged (due to the Soret effect) in different directions with respect to the temperature gradient. The effect of the Rayleigh number on the flow structure and heat mass transfer is demonstrated.
