퍼지는 대류에 계단 구조의 진화
Summary
널리 퍼지는 대류 (DC) 자연 처리와 균질 convecting 레이어 층 화 인터페이스와 계단의 시리즈 특징 엔지니어링 응용 프로그램에 발생 합니다. 실험적인 절차 직사각형 탱크에서 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 DC 계단 구조의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다.
Abstract
밀도 엄연히 다른 분자 diffusivities, 스칼라 그라디언트 반대 2에 의해 제어 됩니다 있고 큰-와 더 작은-확산 스칼라 그라디언트 부정적이 고 긍정적인 방산 대류 (DC) 수직 층 화 때 발생 밀도 분포에 대 한 기여 각각. DC는 많은 자연 프로세스 및 엔지니어링 응용 프로그램, 예를 들면, 해양학, 천체 물리학 및 야 금에서 발생합니다. 바다에서 DC의 가장 놀라운 기능 중 하나입니다 수직 온도 염 분 프로필 계단 모양의 구조, 두꺼운 균질 convecting 레이어 및 상대적으로 얇고 높은 그라데이션 인터페이스 연속 단계 구성. DC 계단 북극과 남극 바다에 특히 많은 바다에서 관찰 되었습니다 그리고 바다 순환과 기후 변화에 중요 한 역할. 북극 바다에서 유역 및 영구 DC 계단 위와 깊은 바다에 존재 한다. DC 프로세스 diapycnal 위 바다에서 혼합에 대 한 중요 한 효력이 있으며 크게 표면 얼음 녹는 영향을 미칠 수 있습니다. 경계 조건 및 제어 매개 변수 엄격 하 게 조정 될 수 있기 때문에 필드 관측의 한계에 비해, 실험실 실험 dc, 역동적이 고 열역학적 과정을 효과적으로 검사 하는 독특한 장점을 보여줍니다. 여기, 상세한 프로토콜의 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 층 화 염 분 물으로 채워진 직사각형 탱크에서 DC 계단 구조의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다. 실험적인 체제, 진화 과정, 데이터 분석 및 토론 결과의 세부 사항에 설명 합니다.
Introduction
이중 방산 대류 (DDC) 가장 중요 한 수직 혼합 프로세스 중 하나입니다. 그것은 반대 방향으로 구성 요소는 분명히 다른 분자 diffusivities1의 두 개 이상의 스칼라 구성 요소 기울기로 층 화 물 란의 수직 밀도 분포 제어 됩니다 때 발생 합니다. 그것은 널리 해양학2, 분위기3, 지질학4,5천체 물리학, 재료 과학6, 야 금7및 건축 공학8에서 발생합니다. DDC는 세계 바다의 거의 절반에 그리고 해양 다중 스케일 프로세스와9도 기후 변화 중요 한 영향.
DDC에 대 한 두 가지 기본 모드가 있습니다: 손가락 (SF)와 퍼지는 대류 (DC) 소금. SF 발생 때 따뜻하고, 짠 물 질량 overlies 층 화 환경에서 쿨러, 신선한 물. 따뜻하고 짠 물 추위와 신선한 물 아래 거짓말, DC 형성할 것 이다. DC의 놀라운 기능은 온도, 염 분, 밀도의 수직 단면도 계단 같은 동질적인 레이어와 얇은, 강하게 층 화 인터페이스 convecting alternant에 의해 구성. 주로 DC 오호츠크 해, 홍 해 및 아프리카 고 마 호수10높은 위도 바다와 북극과 남극 바다 등 일부 인테리어 소금 호수에서 발생합니다. 북극 바다에서 유역 및 영구 DC 계단 위와 깊은 바다11,12에서 존재 한다. Diapycnal 위 바다에서 혼합에 대 한 중요 한 효력이 있으며 크게 얼음-녹는, 최근 해양학 사회13에 점점 더 많은 관심을 자극 하는 영향을 미칠 수 있습니다.
DC 계단 구조 196914북극해에서 처음 발견 되었다. 그, Padman & 딜 론15, 후 Timmermans 외. 11, Sirevaag & 그다지16, 저 우 & 루12, 오클라호마 외. 17, Bebieva & Timmermans18, 그리고 Shibley 외. 19 세로 포함 하 여 북극해의 다른 분 지에 DC 계단 측정 및 수평 저울 convecting 레이어 및 인터페이스, 깊이 계단의 총 두께의 수직 열 전달, DC 프로세스에서 mesoscale 에디 고 계단 구조의 시간적, 공간적 변화. 슈미트 외. 20 와 서머 외. 21 고 마 호수에 미세 프로파일러를 사용 하 여 DC 계단을 관찰. 그들은 주요 구조 기능 및 DC의 열 플럭스를 보고 하 고 기존 패라메트릭 수식으로 측정된 열 플럭스를 비교. 컴퓨터 처리 속도 개선, DC의 수치 시뮬레이션 최근 완료 되었습니다, 그리고 예를 들어 인터페이스 검사 구조와 불안정, 인터페이스를 통해 열 전달 레이어 병합 이벤트22, 23 , 24.
필드 관측은 크게 바다 DC 따옴표에 대 한 이해 향상 되지만 측정은 강하게 불확정 해양 흐름 환경 및 악기. 예를 들어 DC 인터페이스는 매우 작은 수직 규모 일부 호수와 바다25, 0.1 m m 보다 얇은 있으며 몇 가지 특별 한 고해상도 악기 필요 하다. 실험실 실험 DC의 기본 동적 및 열역학 법칙을 탐험에 그것의 독특한 장점을 보여줍니다. 실험실 실험 하나 고 수 있습니다 DC 계단의 진화를 관찰, 측정 온도 염 분, 해양 응용26,27에 대 한 일부 매개 변수화를 제안. 또한, 실험실 실험에서 제어 변수와 조건을 쉽게 조정 필요에 따라. 터너 처음 1965 년에 실험실에서 DC 계단을 시뮬레이션 하 고 자주 업데이 트 에 현장 해양 관측28에에서 광범위 하 게 사용 되는 방산 인터페이스를 통해 열 전달 매개 변수화 제안 예를 들어 .
이 문서에 자세한 실험 프로토콜 아래에서 열 층 화 염 분 물에서 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 DC 계단의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다. 온도 염 분 마이크로 스케일 악기 shadowgraph 기법으로 모니터링 되 고 있는 DC 계단에 의해 측정 됩니다. 실험적인 체제, 진화 과정, 데이터 분석 및 토론 결과의 세부 사항에 설명 합니다. 초기 조건과 경계를 변경 하 여 현재 실험적인 체제 및 방법을 사용할 수 있는 다른 해양 현상, 해양 수평 대류, 심해 열 수 분출, 표면 혼합된 층 심화,의 효과 시뮬레이션 잠수함에 해양 순환, 지 열.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 문서에 자세한 실험 프로토콜 직사각형 탱크에 thermohaline DC 계단 구조 시뮬레이션을 설명 합니다. 작업의 초기 선형 밀도 층 리 2 탱크 메서드를 사용 하 여 생성 됩니다. 상단 플레이트는 일정 한 온도 열 유 속에서 하단 하나에 유지 됩니다. Shadowgraph 기술 등의 생성, 개발, mergence, 실종, DC 계단의 전체 진화 과정 시각화는 고 온도 염 분의 분산이 높은 정확도 조사에 의해 기록 된다. 이러한 측정…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 중국 NSF 교부 금 (41706033, 91752108 및 41476167), Grangdong NSF 교부 금 (2017A030313242 및 2016A030311042) 및 LTO 그랜트 (LTOZZ1801)에 의해 지원 되었다.
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 |
Referencias
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