Diffusive konveksiyon merdiven yapıların evrimi
Summary
Diffusive konveksiyon (DC) yaygın olarak doğal süreçleri ve mühendislik uygulamaları, merdivenler homojen convecting katmanları ve tabakalı arabirimleri ile bir dizi ile karakterize oluşur. Deneysel bir işlem üretimi, geliştirme ve ortadan kalkması, dikdörtgen bir tank gibi DC merdiven yapısı evrim sürecinin benzetimini yapmak için tanımlanır.
Abstract
Dikey tabakalı diffusive konveksiyon (DC) yoğunluğu belirgin farklı moleküler diffusivities var skaler degradeler karşıt iki tarafından kontrol edilir ve daha büyük – ve daha küçük-Yayınım skaler degradeler negatif ve pozitif var oluşur katkıları yoğunluğu dağıtım için sırasıyla. DC birçok doğal süreçler ve mühendislik uygulamaları, örneğin, Oşinografi, astrofizik ve Metalurji oluşur. Okyanuslarda, DC en dikkat çekici özelliklerinden biri dikey sıcaklık ve tuzluluk profilleri merdiven benzeri yapıda, ardışık adımlarla kalın homojen convecting katmanları ve nispeten ince ve yüksek-gradient arabirimleri oluşur olmasıdır. DC merdivenler birçok okyanuslarda, özellikle Arktik ve Antarktika okyanuslar, gözlemledim ve okyanus dolaşım ve iklim değişikliği üzerinde önemli bir rol oynamaktadır. Kuzey Buz Denizi havza çapında ve kalıcı DC merdivenler üst ve derin okyanuslarda mevcut. DC işlem üst okyanusta karıştırma diapycnal üzerinde önemli bir etkisi vardır ve yüzey buz erime önemli ölçüde etkileyebilir. Çünkü kesinlikle sınır koşulları ve kontrollü parametreleri ayarlanabilir alan gözlemler sınırlamalar için karşılaştırıldığında, laboratuvar deneyi DC, dinamik ve termodinamik süreçlerinde etkili bir şekilde incelemek için benzersiz avantajı gösterir. Burada, detaylı bir protokol DC merdiven yapısı dahil olmak üzere, üretimi, geliştirme ve ortadan kalkması, tabakalı tuzlu su ile dolu bir dikdörtgen su tankında, evrim sürecinin benzetimini yapmak için tanımlanır. Deneysel Kur, evrim süreci, veri analizi ve sonuçları tartışılması ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Introduction
Çift Kişilik diffusive konveksiyon (DDC) en önemli dikey karıştırma işlemleri biridir. Tabakalı su sütunu dikey yoğunluk dağılımı iki veya daha fazla skaler bileşenleri degradeler bileşenleri belirgin farklı moleküler diffusivities1olduğu ters yön tarafından kontrol edilir oluşur. Yaygın Oşinografi2, atmosfer3, Jeoloji4, astrofizik5, malzeme bilimi6, Metalurji7ve mimari mühendislik8içinde oluşur. DDC neredeyse yarısı küresel okyanus var ve okyanus çok ölçek süreçleri ve hatta iklim değişiklikleri9üzerinde önemli etkileri vardır.
DDC için iki birincil modu bulunur: tuz parmak (SF) ve diffusive konveksiyon (DC). SF oluşur sıcak, tuzlu su kütlesi overlies soğutucu, taze su tabakalı ortamda. Sıcak ve tuzlu su soğuk ve taze su altında yalan söylediğinde, DC oluşturacak. DC dikkate değer özellik dikey profilleri sıcaklık, tuzluluk ve yoğunluk alternant katmanları ve ince, güçlü tabakalı arayüzleri convecting homojen oluşan merdiven benzeri olmasıdır. DC esas olarak yüksek enlem okyanuslar ve Arktik ve Antarktika okyanuslar, gibi bazı iç tuz gölleri Ohotsk Denizi, Kızıldeniz ve Afrika Kivu Lake10oluşur. Kuzey Buz Denizi havza çapında ve kalıcı DC merdivenler üst ve derin okyanuslar11,12mevcut. Bu diapycnal üst okyanusta karıştırma üzerinde önemli bir etkisi vardır ve buz-hangi son zamanlarda Oşinografi topluluk13daha fazla ve daha fazla ilgi uyandırıyor erime, önemli ölçüde etkileyebilir.
DC merdiven yapısı ilk Kuzey Buz Denizi, 1969-14yılında keşfedilmiştir. O, Padman & Dillon15sonra Timmermans ve ark. 11, Sirevaag & Fer16, Çu & Lu12, Guthrie ve ark. 17, Bebieva & Timmermans18ve Shibley ve ark. 19 DC merdivenler Kuzey Buz Denizi, dikey dahil olmak üzere farklı havzaları içinde ölçülen ve convecting katman ve arayüzü, derinlik ve merdiven, toplam kalınlığı yatay ölçekler dikey ısı transferi, DC süreçlerinde mesoscale eddy ve merdiven yapıların zamansal ve mekansal değişiklikleri. Schmid ve ark. 20 ve Sommer vd. 21 DC merdivenler Kivu gölde bir mikroyapı Profiler’ı kullanarak görülmektedir. Onlar ana yapısı özellikleri ve ısı Cerayanlar DC bildirdi ve ölçülen ısı Cerayanlar varolan parametrik formülü ile karşılaştırıldığında. Hız artırma işleme bilgisayarla sayısal simülasyonlar DC son zamanlarda yapılmış, örneğin, arabirimin incelemek için yapısı ve istikrarsızlık, ısı transferi arayüzü üzerinden, birleştirme olay katman vb.22, 23 , 24.
Alan gözlem büyük okyanus DC anlamak için oşinograflar geliştirdi ama ölçüm güçlü belirsiz oceanic akış ortamları ve araçları sınırlıdır. Örneğin, DC arayüzü son derece küçük bir dikey ölçek bazı göller ve okyanusların250.1 m daha ince olan ve özel yüksek çözünürlüklü enstrümanlar ihtiyaç vardır. Laboratuvar deneyi DC temel dinamik ve Termodinamik kanunları keşfetmek benzersiz avantajları gösterir. Laboratuvar deneyi ile bir DC merdiven evrimi gözlemlemek sıcaklık ve tuzluluk ölçmek ve bazı parameterizations oceanic uygulamaları26,27öneriyorum. Ayrıca, bir laboratuvar deneyi, koşul ve kontrollü parametreleri kolayca ayarlanır gerektiği gibi. Örneğin, Turner ilk 1965 yılında DC merdiven laboratuvarda simüle ve sık sık güncelleştirilen ve yoğun kullanılan in situ okyanus gözlemleri28 diffusive arabirimi üzerinden bir ısı transferi parameterization önerdi .
Bu yazıda, detaylı bir deneysel protokol üretimi, geliştirilmesi ve ortadan kalkması, aşağıdan ısıtmalı tabakalı tuzlu suda dahil DC merdiven evrim sürecinin benzetimini yapmak için tanımlanır. Sıcaklık ve tuzluluk shadowgraph tekniği ile izlenen DC merdivenler yanı sıra mikro ölçekli araç tarafından ölçülür. Deneysel Kur, evrim süreci, veri analizi ve sonuçları tartışılması ayrıntılı olarak açıklanmıştır. İlk ve sınır koşulları değiştirerek, mevcut deneysel kurulum ve yöntemi oceanic yatay konveksiyon, derin deniz hidrotermal patlamalar, yüzey karışık katman derinleşmesi, etkisi gibi diğer okyanus olayları taklit etmek için kullanılabilir okyanus dolaşım ve benzeri jeotermal Submarine.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda detaylı bir deneysel protokol thermohaline DC merdiven yapıları dikdörtgen bir tank benzetimini yapmak için tanımlanır. Bir ilk doğrusal yoğunluk stratifikasyon çalışma sıvı iki tank yöntemi kullanılarak inşa edilmiştir. Üst plaka sabit bir sıcaklık ve ısıyı sabit akı en altında bir tutulur. Bütün evrim süreci, üretimi, geliştirme, mergence ve ortadan kalkması, dahil DC merdiven shadowgraph tekniği ile görüntülenir ve farklarını sıcaklık ve tuzluluk yüksek doğruluk son…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Çin NSF hibe (41706033, 91752108 ve 41476167), Grangdong NSF hibe (2017A030313242 ve 2016A030311042) ve LTO grant (LTOZZ1801) tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Rectangular tank | Custom made part | ||
| Plexiglas | Custom made part | ||
| Electric heating pad | Custom made part | ||
| Distilled water | Multiple suppliers | ||
| Optical table | Liansheng Inc. | MRT-P/B | |
| Thermiostors | Custom made part | ||
| Digital multimeter | Keithley Inc | Model 2700 | |
| Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI) | PME. Inc. | Model 125 | |
| Multifunction data acquisition (MDA) | MCC. Inc. | USB-2048 | |
| Motorized precision translation stage (MPTS) | Thorlabs Inc. | LTS300 | |
| Tracing paper | Multiple suppliers | ||
| LED lamp | Multiple suppliers | ||
| Camcorder | Sony Inc. | XDR-XR550 | |
| De-gassed fresh water | Custom made part | ||
| Saline water | Custom made part | ||
| Flexible tube | Multiple suppliers | ||
| Electric magnetic stirrer | Meiyingpu Inc. | MYP2011-100 | |
| Peristaltic pump | Zhisun Inc. | DDBT-201 | |
| Refrigerated circulator | Polyscience Inc. | Model 9702 | |
| Plastic soft tube | Multiple suppliers | ||
| Direct-current power supply | GE Inc. | GPS-3030 | |
| Matlab | MathWorks Inc. | R2012a |
Referenzen
- Turner, J. S. . Buoyancy Effects in Fluids. , 367 (1973).
- Schmitt, R. W. Double diffusion in oceanography. Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).
- Turner, J. S., Gustafson, L. B. Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).
- Robb, L. . Introduction to Ore-forming Processes. , 373 (2004).
- Chabrier, G., Baraffe, I. Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective. The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).
- Langlois, W. E. Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts. Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).
- Chen, C. -. F., Johnson, D. H. Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference. Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).
- Griffiths, R. W. Layered double-diffusive convection in porous media. Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).
- You, Y. Z. A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).
- Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. The diffusive regime of double diffusive convection. Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).
- Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline. Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).
- Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).
- Turner, J. S. The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below. Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).
- Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. Thermal stratification in the Arctic Ocean. Science. 166 (3903), 373-374 (1969).
- Padman, L., Dillon, T. M. Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).
- Sirevaag, A., Fer, I. Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing. Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).
- Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).
- Bebieva, Y., Timmermans, M. L. An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).
- Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. Spatial variability of the Arctic Ocean’s double-diffusive staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).
- Schmid, M., Busbridge, M. Double-diffusive convection in Lake Kivu. Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).
- Sommer, T., et al. Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).
- Carpenter, J. R., Sommer, T., Wüest, A. Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime. Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).
- Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. Heat transport through diffusive interfaces. Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).
- Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events. Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).
- Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., Wüest, A. Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia. Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).
- Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).
- Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. New parametrization for heat transport through diffusive convection interface. Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).
- Turner, J. S. The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface. International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).
- Hill, D. F. General density gradients in general domains: the "two-tank" method revisited. Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).
- Zhou, S. Q., Ahlers, G. Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal. Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).
