научная статья по теме НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ С ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ. КРИТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНВЕКТИВНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ БОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЭЛЕЯ Химия

Текст научной статьи на тему «НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ С ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ. КРИТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНВЕКТИВНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ БОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЭЛЕЯ»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 5, с. 630-635

УДК 541.135.5

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ С ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ. КРИТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНВЕКТИВНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ БОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЭЛЕЯ

© 2004 г. Д. А. Бограчев1, В. М. Волгин*, А. Д. Давыдов

Институт электрохимии им. АН. Фрумкина РАН, Москва, Россия *Тульский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 29.07.2003 г.

В результате проведенного теоретического анализа модельной электрохимической системы получено выражение для расчета критического времени возникновения конвективной неустойчивости и начала естественной конвекции в плоском слое электролита между двумя горизонтально расположенными электродами. Условием возникновения конвективной неустойчивости принято прекращение затухания флуктуаций концентрации электроактивных ионов.

Ключевые слова: естественная конвекция, конвективная неустойчивость, переходные процессы.

ВВЕДЕНИЕ

Конвективные явления (свободная конвекция, конвективная неустойчивость), возникающие в результате неоднородного распределения концентрации, часто встречаются в электрохимических системах. Особый случай представляют системы с плоскими горизонтально расположенными электродами. При наложении на такую систему напряжения, обеспечивающего очень быстрое возникновение предельного тока ^ электрохимической реакции, например электроосаждения металла на нижнем электроде, предельный ток в течение некоторого периода времени снижается в результате увеличения толщины приэлектродного диффузионного слоя (аЬ на рисунке ). В течение этого периода времени система находится в условиях механического равновесия (отсутствия конвекции), несмотря на изменение плотности раствора Ар, вызванное изменением концентрации. В начальный период времени, пока примыкающий к электроду диффузионный пограничный слой очень тонок, велико влияние вязких сил, препятствующих началу движения раствора. Конвекция возникает не сразу, несмотря на формально бесконечно большой градиент плотности в начальный период времени, а тогда, когда внешняя граница пограничного слоя удалится от электрода на достаточное расстояние и тормозящее влияние твердой стенки уменьшится.

1 Адрес автора для переписки: d@ol.ru (Д.А. Бограчев).

Движение электролита приводит к увеличению предельного тока (Ьс на рисунке), а затем к установлению некоторого значения у^, соответствующего условиям установившегося режима перемешивания электролита в межэлектродном пространстве. Описанный переход из одного стационарного неравновесного состояния (участок аЬ на рисунке, г < гсг) в другое (участок сй на рисунке) называют

Схема изменения во времени предельного тока электрохимической реакции на нижнем электроде в электрохимической ячейке с двумя плоскими горизонтально расположенными электродами. Пояснения в тексте.

конвективной неустойчивостью. Различают несколько типов конвективной неустойчивости в зависимости от состояния системы на участке ей (неустойчивость Рэлея-Бенара, колебательная, стохастическая). Экспериментально конвективная неустойчивость в электрохимических системах наблюдалась в ряде работ [1-7].

Одной из проблем теории конвективной неустойчивости в электрохимических системах является расчет критического времени гсг (рисунок), по истечении которого возникает неустойчивость. К настоящему времени нам известна лишь одна работа, посвященная этому [8], в которой при некоторых упрощающих условиях сделан расчет гсг в зависимости от величины числа Рэлея Яа, характеризующего отношение подъемной силы, создающей неустойчивость, к силе вязкости, препятствующей возникновению неустойчивости. В качестве упрощающего условия принималось, что неустойчивость возникает, когда спад тока во времени станет очень медленным. При этом условии было найдено [8], что гсг стремится к бесконечности по логарифмическому закону при приближении числа Яа к Яасг. Численные значения гсг неплохо согласовывались с измеренными при сравнительно небольших Яа. При Яа более ~2500 рассчитанные значения гсг становятся слишком заниженными.

В настоящей работе разработан приближенный аналитический метод расчета гсг при Яа > Яасг для простого случая, когда учитывается перенос только электроактивных ионов одного сорта.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Запишем уравнения однокомпонентной системы в приближении Буссинеска:

^ + (¿V)V = -1 УР + уАу + £е - е0), (1) д г р рЭе

Шу V = 0,

^ШУ (-Б Уе) + V Уе = 0, дг

(2) (3)

где V - скорость жидкости; Р - давление; г - время;

р - плотность; V - кинематическая вязкость; £ -вектор ускорения свободного падения; Б и е - коэффициент диффузии и концентрация электроактивного иона соответственно; е0 - концентрация электроактивного иона до начала протекания тока.

Уравнение (1) - это уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, (2) - условие несжимаемости жидкости, (3) - уравнение переноса для электроактивного иона. Физически такие уравнения соответствуют электрохимическим системам с бинарным электролитом (без учета влияния объ-

емного заряда) или большим содержанием индифферентного электролита. Причем вклад изменения концентрации индифферентного электролита в локальное изменение плотности раствора пред-

Эр . Эр

полагается относительно малым: -г1- з> г .

де Эешп

Рассмотрим электрохимическую ячейку с плоским горизонтально расположенным слоем жидкости между двумя бесконечно большими плоскими электродами, находящимися на расстоянии Ь друг от друга. Ось г декартовой системы координат х, у, г направлена вверх от нижнего электрода, так что ускорение свободного падения равно £ = {0, 0, -£}, 0 < г < Ь. Будем считать, что в момент времени г = 0 к электродам приложена достаточно большая разность потенциалов, обеспечивающая прохождение предельного тока на нижнем электроде.

Запишем начальные и граничные условия для концентрации:

е(х, у, г, г) = е0 при г < 0, е(х, у, г, г) = 0 при г = 0, г > 0,

ИЛ ейхйуйг = 0.

(4)

(5)

(6)

Начальное условие (4) означает, что концентрация электроактивных ионов до начала протекания тока равна е0, а равенство концентрации нулю на нижней границе при неотрицательных временах - условие предельного тока (5). Тождество (6) - условие сохранения числа частиц. Граничные условия для скорости - обычное условие равенства нулю скорости и производной нормальной компоненты скорости на электродах:

V = 0 при г = 0 и г = Ь,

Эг

= 0 при г =0 и г = Ь.

Будем искать время гсг начала возникновения неустойчивости при больших числах Рэлея. Условимся считать, что число Рэлея достаточно велико для того, чтобы, во-первых, начиналась естественная конвекция, а во-вторых, гсг было априори много меньше характерного времени установления стационарного распределения концентрации, равного Ь2/Б. При таких малых временах диффузионный слой еще находится вблизи каждого электрода, и распределение концентрации после включения тока приближенно можно записать в виде:

е (г' = Ч ш)+е"[1-яг (Ш

(7)

Понятно, что при такой асимптотике соотношение (6) будет выполняться лишь приближенно.

Но ошибка будет малой, так как "хвосты" функции erf чрезвычайно быстро подходят к единице.

Уравнение (7) должно выполняться до начала полномасштабной конвекции, а флуктуации в системе будут происходить на фоне растущей толщины диффузионного слоя. По мере ее роста будет уменьшаться влияние сил вязкости, и как следствие будет уменьшаться скорость затухания флуктуаций. Момент времени tCT, начиная с которого флуктуации перестанут затухать, будем считать началом естественной конвекции. Ставя так задачу, необходимо принять дополнительное предположение о том, что tCT много больше характерного времени затухания чисто гидродинамических флуктуаций. Это условие практически всегда выполняется в экспериментальных работах, например [4, 5].

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Линеаризуем уравнения (1)-(3) для малых возмущений и, переходя к безразмерным переменным, запишем:

1 dV = - VP + А V + lzRa ^, ScдТ z ь

div V = 0, д|-А£, + V V С = 0,

(8)

(9) (10)

С (Z) = 1 + erfl

( 2 z/T) erf (2—Z

(11)

Условие малости критического времени выражается теперь как:

Т < 1, (12)

а градиент концентрации из (11) равен:

,.2\ г-,\2

V С =

1

JnZ

ехР1-/Т) + exP (^hT1

Считая возмущения периодичными по осям x и y и дважды применяя к уравнению (8) оператор rot, систему уравнений (8)-(10) можно упростить, сведя ее к системе из двух дифференциальных уравнений для флуктуаций концентрации и вертикальной составляющей гидродинамической скорости:

Sc дТ Ai V/ - AlVz + k2Ra$ = 0,

Э§

дТ

- A^ + V/VC = 0,

(13)

(14)

где V - безразмерное возмущение скорости со стандартными граничными условиями (равенством нулю скорости и производной ее нормальной компоненты на стенках ячейки); Е - безразмерное возмущение концентрации; Т, С, Р - безразмерные время, концентрация и давление соответственно; 8е = - число Шмидта (для электрохимических систем Бе ~ 1000); Яа = 0^ - число

\0р дс

Рэлея, характеризующее возможность возникно-

» о

вения конвекции в системе; в1 - единичный вектор {0, 0, -1}.

В соотношениях (8)-(10) в качестве единицы длины выбрано расстояние между электродами Ь, единицы времени - Ь2/Д единицы концентрации - с0.

В безразмерном виде (7) перепишется в следующем виде:

где Aj = (32/3Z2) - к2; к - модуль волнового вектора

флуктуаций к = {кх, kY}. Анализ уравнений (13), (14) для флуктуаций позволяет выяснить условия, при которых начинается естественная конвекция.

Рассмотрим поведение градиента C в окрестности Z = 0 подробней (понятно, что поведение функции VC симметрично в нуле и единице). При T —► +0 функция VC стремится к дельта функции 5(Z), но так как в (14) при градиенте концентраций стоит множитель VZ, который можно записать в виде ZZf(Z) (где f(Z) - гладкая аналитическая функция), то при T = 0 произведение VZVC

2

становится тождественно равным нулю :

lim VZVC = 0 для всех Z. (15)

T ^ 0

Это значит, что в системе с жесткими границами конвекция на горизонтально расположенных электродах не может возникать мгновенно, одновременно с включением тока, а возникает только через конечное время при некото

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком