电中性尺度下电解质溶液的涨落流体力学
计算物理
2019-04-10 v3 统计力学
摘要
在介观尺度上,电解质溶液由涨落广义 Poisson-Nernst-Planck (PNP) 方程建模 [J.-P. Péraud et al., Phys. Rev. F, 1(7):074103, 2016]。然而,在大于德拜(Debye)尺度的长度和时间尺度上,电解质实际上是电中性的,带电流体 PNP 方程在数值上变得过于刚硬而难以求解。本文中,我们推导了涉及带电物种的反应性多组分混合物在电中性极限下的等温不可压缩涨落流体力学方程,并设计了一种数值算法来求解这些方程。我们的模型不假设稀电解质溶液,而是平等对待所有物种,利用 Maxwell-Stefan 理论考虑交叉扩散与非理想性。通过将局部电中性作为约束,我们得到了替代涨落 PNP 方程中泊松方程的电势椭圆方程。我们开发了二阶中点预测-校正算法,仅通过改变椭圆求解器即可求解带电流体或电中性方程。我们利用电中性算法研究了在酸与碱反应中和的界面处由热涨落触发的重力指进不稳定性。我们的结果表明,由于四种离子以差异很大的系数扩散,必须将每种离子视为独立物种,而不能将酸、碱和盐视为中性物种。这强调了即使在电中性尺度下,电扩散与经典菲克(Fickian)扩散之间的差异。
引用
@article{arxiv.1809.08163,
title = {Fluctuating hydrodynamics of electrolytes at electroneutral scales},
author = {Aleksandar Donev and Andrew J. Nonaka and Changho Kim and Alejandro L. Garcia and John B. Bell},
journal= {arXiv preprint arXiv:1809.08163},
year = {2019}
}
备注
To appear in Phys. Rev. Fluids