Estabilidade hidrodinâmica em células eletroquímicas.
Modelagem Computacional em Materiais (Editora Ciencia Moderna)
ABSTRACT:
Este trabalho aborda a estabilidade linear da solução clássica do campo hidrodinâmico que se forma na vizinhança de um disco rotatório de grande diâmetro, modificado pelo acoplamento, através da viscosidade, com o de concentração de uma espécie química. A configuração refere-se a células eletroquímicas que utilizam eletrodos de disco rotatório de ferro, os quais se dissolvem na solução 1~$\mathbf{M}$ de $\mathbf{H_2SO_4}$ do eletrólito. As curvas de polarização obtidas nessas células apresentam uma instabilidade no início da região em que corrente é controlada pelo transporte hidrodinâmico. A instabilidade surge em um certo valor do potencial aplicado e é suprimida acima de outro, mais alto. A dissolução do eletrodo dá origem a uma camada limite de concentração cuja espessura é de cerca de 4\% da hidrodinâmica. A camada limite de concentração aumenta a viscosidade da solução na interface e diminui o coeficiente de difusão no eletrólito, acoplando os dois campos e afetando a hidrodinâmica do problema. Como a corrente é proporcional ao gradiente interfacial de concentração dos íons da espécie química que a transporta, a instabilidade dos campos acoplados pode resultar na instabilidade observada experimentalmente. Esse trabalho discute os resultados dos estudos conduzidos no Departamento/Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal do Rio de Janeiro, juntamente com o Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Estadual do Rio de Janeiro/Grupo de Estudos e Simulações Ambientais em Reservatórios. Os resultados mostram que aumentos de cerca de 2\% na viscosidade interfacial provoca importante redução na estabilidade de modos existentes em configurações de viscosidade constante. Aumentos sucessivos da viscosidade interfacial conduzem à emergência de nova região instável, localizada em números de Reynolds muito inferiores ao limite de estabilidade da região já conhecida. A amplitude de oscilação da concentração de modos instáveis da nova região é muito maior do que a amplitude de oscilação das variáveis hidrodinâmicas correspondentes. Os modos instáveis de concentração se confinam em uma camada limite muito mais fina do que a hidrodinâmica, o que resulta em oscilações do gradiente de concentração interfacial que nos parecem suficientemente altas para causar as oscilações de corrente observadas nos experimentos. Os resultados numéricos mostram que o aumento progressivo da viscosidade interfacial provoca inicialmente uma redução da estabilidade do campo, mas que além de certo limite, as propriedades de estabilidade de fluidos com viscosidade constante são recuperadas, o que sugere que esse mecanismo pode ser o responsável pela supressão das oscilações de corrente, quando o potencial aplicado ultrapassa certo valor. São discutidas também as soluções e os primeiros resultados obtidos com um código para simulação numérica direta do problema, desenvolvido em nosso grupo.