Скільки часу потрібно для двох спочатку відокремлених рідин, щоб досягти певної однорідності по всьому контейнеру?


5

Уявіть таку початкову умову:

Два повністю змішуються з водою рідини A і B з різними динамічними вязкостямі і поділяються в контейнер з фіксованим обсягом і довжиною . Температура постійна в контейнері, час . Масова частка в цей момент часу є ступеневою функцією (або зручним наближенням до неї), як показано на ескізі нижче.η B V 0 L T e t 0 = 0 w B ( x )ηAηBV0LTet0=0wB(x)

Маючи на увазі ці визначення, який час при якому масова частка знаходиться в межах від його рівноважного значення у всьому контейнері?w B ± δ %tmwB±δ%

Перше, що прийшло в голову, - рівняння дифузії: Звідси мені, мабуть, "просто" потрібне наближення для і розв'язати диференціальний рівняння. Це правильний напрямок? Які наближення були б доречними?D(ϕ(r,t))

ϕ(r,t)t=[D(ϕ,r) ϕ(r,t)]
D(ϕ(r,t))

Рівняння Сток-Ейнштейна дозволяє мені обчислити : але я не знаю радіус . Я просто не знаю, як рухатись далі.D = k BTD r

D=kBT6πηr
r

Зазвичай число Шмідта для рідин становить близько 1 для газів і 1000 для рідин. Зважаючи на в'язкість, ви можете оцінити коефіцієнти дифузії, які я думаю.
nluigi

@nluigi Ну, я думаю, я спробую це. Якщо отриманий час знаходиться в порядку величини реального часу, його має бути достатньо як оцінка.
Джон ХК

Ви, швидше за все, зможете зробити аналіз лише до інженерної точності (в порядку величини точної відповіді). Чи можете ви припустити добре змішаність відсіків? Це також значно спростить проблему.
nluigi

Так, я припускаю, що вони повністю змішуються.
Джон ХК

Гаразд, але змішування в відсіках йде швидко? Тоді ви можете написати баланс на зразок: та подібний для та вирішити для концентрацій. c2
dc1dt=k1a(c1c2)
c2
nluigi

Відповіді:


3

На це питання важко відповісти загалом.

Деякі моменти, які слід врахувати:

  • Відмінність у щільності призведе до того, що одна рідина буде протікати під іншою, це стане мені швидше або повільніше залежно від їх відносної густини. Це негайно вносить деяку енергію в систему. Але їх в'язкість також вплине на те, як це впливає на змішування. Наприклад, якщо у вас була вода та етанол, як казковий густий, низької в'язкості та змішуваного, ви можете уявити, що у вас буде минуща турбулентність, оскільки один протікає нижче іншого, що прискорить багато змішування.

  • Конвекція: будь-які невеликі перепади температури / тиску між рідинами створюватимуть струми та хвилі тиску, які можуть прискорити змішування.

У чомусь це виходить за межі інженерного питання, оскільки наближення, необхідні для «ідеальної» відповіді, абсолютно нереалістичні. Для мене це суто математична вправа, а не інженерія.

З точки зору ідеальних газів ви, мабуть, не дивитесь на середній час, який потрібно, щоб молекула газу переходила з однієї сторони на іншу, тому компонент середньої швидкості по осі x як функція температури дав би вам деякий наближення. Хоча умови для двох рідин (часті зіткнення) порівняно з двома газами низького тиску (кілька зіткнень можуть дати різні результати)

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.