Evolutie van de trap structuren in Diffusive convectie
Summary
Diffusive convectie (DC) komt algemeen in natuurlijke processen en waterbouwkundige toepassingen, gekenmerkt door een aantal trappen met homogene meet lagen en gestratificeerd interfaces. Een experimentele procedure is beschreven is het proces van de evolutie van de DC trap structuur, met inbegrip van de generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in een rechthoekige tank te simuleren.
Abstract
Diffusive convectie (DC) treedt op wanneer de verticale gelaagde dichtheid wordt gecontroleerd door twee tegengestelde scalaire verlopen die duidelijk verschillende moleculaire diffusivities hebben en de grotere – en kleinere-richtgetal scalaire verlopen hebben negatieve en positieve bijdragen voor de distributie van de dichtheid, respectievelijk. De DC treedt op in vele natuurlijke processen en waterbouwkundige toepassingen, bijvoorbeeld, oceanografie, astrofysica en metallurgie. In de oceanen is een van de meest opvallende kenmerken van DC dat de verticale temperatuur en saliniteit profielen trap-achtige structuur, bestaande uit opeenvolgende stappen met dikke homogene meet lagen en relatief dunne en hoge-verloop interfaces. De DC-trappen zijn waargenomen in vele oceanen, vooral in de arctische en Antarctische Oceaan, en spelen een belangrijke rol op de oceaancirculatie en het klimaat schadelijke emissies. In de Noordelijke IJszee bestaan er bekken bestrijkende en voortdurende DC trappen in de bovenste en diepe oceanen. De DC-proces heeft belangrijke gevolgen voor diapycnal mengen in de bovenste Oceaan en aanzienlijk invloed kan hebben de oppervlakte ijs smelten. Vergeleken met de beperkingen van veldwaarnemingen, toont laboratorium experiment zijn unieke voordeel om effectief onderzoek de huidige dynamische en thermodynamische processen in DC, aangezien de randvoorwaarden en de gecontroleerde parameters kunnen strikt worden aangepast. Hier is een gedetailleerde protocol beschreven het evolutie proces van DC trap structuur, met inbegrip van haar generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in een rechthoekige tank gevuld met gestratificeerd zoute water te simuleren. De experimentele opzet, evolutie proces, data-analyse en bespreking van de resultaten worden in detail beschreven.
Introduction
Dubbele diffusive convectie (DDC) is één van de belangrijkste verticale mengen processen. Het treedt op wanneer de dichtheid van de verticale verdeling van de gestratificeerde waterkolom wordt gecontroleerd door twee of meer onderdelen van de scalaire gradiënten van tegengestelde richtingen, waar de onderdelen duidelijk verschillende moleculaire diffusivities1 hebben. Breed komt voor in de oceanografie2, de sfeer3, geologie4, astrofysica5, materiaalkunde6, metallurgie7en architectural engineering8. DDC is aanwezig in bijna de helft van de wereldwijde oceaan, en het heeft belangrijke gevolgen voor de oceanische Multi-Scale processen en zelfs klimatologische veranderingen9.
Er zijn twee primaire modi voor DDC: zout vinger (SF) en diffusive convectie (DC). SF treedt op wanneer een warme, zoute water massa overlies koeler, frisser water in de gestratificeerde omgeving. Wanneer het warm en zoute water onder het water koud en fris ligt, zal de DC vormen. Het opvallende kenmerk van de DC is dat de verticale profielen temperatuur, zoutgehalte of dichtheid trap-achtige, gecomponeerd door alternant homogene meet lagen en dun, sterk gestratificeerd interfaces. DC treedt vooral op in hoge latitude oceanen en sommige interieur zoutmeren, zoals de arctische en Antarctische Oceaan, de zee van Ochotsk, de rode zee en de Afrikaanse Kivu Lake10. In de Noordelijke IJszee bestaan er bekken bestrijkende en voortdurende DC trappen in de bovenste en diepe oceanen11,12. Het heeft een belangrijk effect op diapycnal mengen in de bovenste Oceaan en aanzienlijk kan beïnvloeden het ijs smelten, dat recentelijk steeds meer belangen in de oceanografie Gemeenschap13oproept.
De DC trap structuur werd voor het eerst ontdekt in de Noordelijke IJszee in 196914. Na dat, Padman & Dillon15, Timmermans, et al.. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18en Shibley et al. 19 gemeten de DC trappen in verschillende stroomgebieden van de Noordelijke IJszee, met inbegrip van de verticale en horizontale schaal meet laag en interface, de diepte en de totale dikte van de trap, de verticale warmteoverdracht, de processen van de DC in MESOSCHAAL eddy en de temporele en ruimtelijke veranderingen van de structuren van de trap. Schmid et al. 20 en Sommer et al. de DC-trappen 21 waargenomen met behulp van een microstructuur profiler in Kivu meer. Zij meldde de hoofdstructuur functies en warmte toeslagstoffen voor DC en ten opzichte van de lichtstromen gemeten warmte met de bestaande parametrische formule. Met computer verwerking snelheden verbeteren, zijn onlangs de numerieke simulaties van DC gedaan, bijvoorbeeld, te onderzoeken van de interface structuur instabiliteit, warmte-overdracht via interface, laag fuserende gebeurtenis en22, enzovoort 23 , 24.
Veld observatie heeft het begrip van de oceaan DC voor oceanografen aanzienlijk verbeterd, maar de meting wordt sterk beperkt door onbepaalde oceanische stroom omgevingen en instrumenten. Bijvoorbeeld, de DC-interface heeft een uiterst kleine verticale schaal, dunner dan 0,1 m in sommige meren en oceanen25, en sommige speciale hoge resolutie instrumenten nodig zijn. Het laboratorium experiment toont zijn unieke voordelen in het verkennen van de fundamentele wetten van de dynamische en thermodynamische voor DC. Met een laboratorium experiment, kan een observeren van de evolutie van de DC-trap, de temperatuur en het zoutgehalte meten en stellen sommige parameterizations voor de oceanische toepassingen26,27. Bovendien, in een laboratorium experiment, de gecontroleerde parameters en voorwaarden worden gemakkelijk aangepast zoals vereist. Bijvoorbeeld Turner eerst gesimuleerd van de DC-trap in het laboratorium in 1965 en een warmte overdracht parametrage voorgesteld over de diffusive interface, die is vaak bijgewerkt en uitgebreid gebruikt in de in situ oceanische opmerkingen28 .
In deze paper is een gedetailleerde experimenteel protocol beschreven het proces van de evolutie van de DC-trap, met inbegrip van de generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in gestratificeerd zout water van onderaf verwarmd te simuleren. De temperatuur en het zoutgehalte zijn gemeten door een micro-schaal instrument, alsmede de trappen van de DC met de techniek van de shadowgraph wordt gecontroleerd. De experimentele opzet, evolutie proces, data-analyse en bespreking van de resultaten worden in detail beschreven. Door een wijziging van de initiële en randvoorwaarden, kunnen de huidige experimentele opzet en de methode worden gebruikt voor het simuleren van andere oceanische verschijnselen, zoals de oceanische horizontale convectie diepzee hydrothermische uitbarstingen, gemengde toplaag verdieping, het effect van onderzeeër geothermische op oceaancirculatie, enzovoort.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze paper wordt een gedetailleerde experimenteel protocol beschreven ter simulering van de thermohaliene DC trap structuren in een rechthoekige tank. Een eerste lineaire dichtheid stratificatie van werkmedium is gebouwd met behulp van de twee-tank-methode. De bovenste plaat wordt bewaard op een constante temperatuur en de onderste bij constante warmtestroom. Het proces van de gehele evolutie van de DC-trap, met inbegrip van haar generatie, ontwikkeling, zangpartijen en verdwijning, worden gevisualiseerd met de techni…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Chinese NSF subsidies (41706033, 91752108 en 41476167), de Grangdong NSF subsidies (2017A030313242 en 2016A030311042) en de LTO grant (LTOZZ1801).
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 |
References
- 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).
