Évolution des Structures d’escalier de Convection diffusion

Summary

Convection diffusion (DC) se produit couramment dans les processus naturels et les applications d’ingénierie, caractérisées par une série d’escaliers avec des couches de convection homogènes et interfaces stratifiés. Une procédure expérimentale est décrite pour simuler le processus d’évolution de la structure d’escalier DC, y compris la génération, le développement et la disparition, dans un récipient rectangulaire.

Abstract

Convection diffusion (DC) se produit lorsque la verticale stratifiée densité est contrôlée par deux opposés des gradients scalaires qui ont nettement différents coefficients de diffusion moléculaires et les gradients scalaire de diffusivité plus grands et plus petits ont négatifs et positifs contributions pour la distribution de la densité, respectivement. Le contrôleur de domaine se produit dans de nombreux processus naturels et les applications d’ingénierie, par exemple, océanographie, astrophysique et la métallurgie. Dans les océans, une des caractéristiques plus remarquables du DC est que les profils verticaux de température et de salinité sont structure en escalier, composée d’étapes consécutives avec des couches épaisses de convection homogènes et interfaces relativement minces et forte pente. Les escaliers de DC ont été observés chez de nombreux Océans, en particulier dans l’Arctique et l’Antarctique des Océans et jouent un rôle important sur la circulation océanique et les changements climatiques. Dans l’océan Arctique, il existe des escaliers de DC-l’échelle du bassin et persistants dans les océans profonds et supérieurs. Le processus de DC a un effet important sur la diapycnal de mélange dans l’océan supérieur et peuvent influencer considérablement la surface-fonte des glaces. Par rapport aux limites des observations sur le terrain, expérience en laboratoire montre son unique avantage d’examiner efficacement les processus dynamiques et thermodynamiques dans DC, parce que les conditions aux limites et les paramètres contrôlés sont strictement réglables. Ici, un protocole détaillé est décrit pour simuler le processus d’évolution de la structure d’escalier DC, y compris de sa génération, le développement et la disparition, dans un récipient rectangulaire remplie d’eau salée stratifiée. Le montage expérimental, processus d’évolution, analyse et discussion des résultats sont décrites en détail.

Introduction

Double convection diffusion (DDC) est l’un des plus importants processus mélange verticales. Elle survient lorsque la distribution de la densité verticale de la colonne d’eau stratifiées est contrôlée par deux ou plusieurs gradients de composantes scalaires de directions opposées, où les composants ont nettement différents coefficients de diffusion moléculaire¹. Il est largement présent en océanographie², l’atmosphère³, géologie⁴, astrophysique⁵,⁶de la science des matériaux, métallurgie⁷et génie architectural⁸. DDC est présent dans près de la moitié de l’océan mondial, et il a un effet important sur les processus multi-échelle océaniques et les changements climatiques même⁹.

Il y a deux modes principaux de DDC : sel doigt (SF) et convection diffusion (DC). SF se produit lorsqu’une eau chaude et salée masse recouvre l’eau plus fraîche, plus frais en milieu stratifié. Quand l’eau chaude et salée se trouve sous l’eau froide et fraîche, la DC formera. La caractéristique remarquable de la DC est que les profils verticaux de température, salinité et densité sont comme un escalier, composée par alternant homogène convecting couches et interfaces minces et fortement stratifiées. DC produit principalement dans les océans des latitudes élevées et certains lacs salés intérieurs, comme l’Arctique et l’Antarctique des Océans, la mer d’Okhotsk, la mer rouge et l’African Lake Kivu¹⁰. Dans l’océan Arctique, il existe des escaliers de DC-l’échelle du bassin et persistants dans les océans profonds et supérieur^11,12. Il a un effet important sur la diapycnal de mélange dans l’océan supérieur et peut-être influencer considérablement la glace-fonte, qui a récemment suscite un intérêt de plus en plus dans l’océanographie communauté¹³.

La structure d’escalier de DC a été découvert dans l’océan Arctique en 1969,¹⁴. Après cela,¹⁵paradis & Dillon, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸et Shibley et al. ¹⁹ mesuré les escaliers DC dans différents bassins de l’océan Arctique, y compris à la verticale et échelles horizontales de l’interface, la profondeur et l’épaisseur totale de l’escalier et la couche de convection transfert, les processus de DC de chaleur de la verticale eddy de méso-échelle et les modifications temporelles et spatiales des structures escalier. Schmid et al. ²⁰ et Sommer et coll. ²¹ a observé les escaliers DC à l’aide d’un profileur de microstructure dans le lac Kivu. Ils a signalé les caractéristiques de la structure principale et les flux de chaleur de DC et par rapport au flux de chaleur mesurée avec la formule paramétrique existante. Avec l’amélioration des vitesses de traitement de l’informatique, les simulations numériques de DC ont été faites récemment, par exemple, d’étudier l’interface structure et instabilité, transfert de chaleur par interface, événement qui fusionnent la couche et ainsi de suite^{22, 23 , 24}.

Observation sur le terrain a grandement amélioré la compréhension des Océans DC pour les océanographes, mais la mesure est fortement limitée par les instruments et environnements de flux océanique pour une période indéterminée. Par exemple, l’interface DC a une très petite échelle verticale, plus mince que 0,1 m dans certains lacs et Océans²⁵, et quelques instruments à haute résolution spéciaux sont nécessaires. L’expérience de laboratoire montre ses avantages uniques à explorer les lois fondamentales de dynamiques et thermodynamiques de DC. Avec une expérience en laboratoire, on peut observer l’évolution de l’escalier de la DC, mesurer la température et la salinité et proposer certains paramétrages pour les applications océaniques^26,27. En outre, dans une expérience en laboratoire, les paramètres contrôlés et les conditions sont facilement ajustées selon les besoins. Par exemple, Turner a tout d’abord simulé l’escalier DC en laboratoire en 1965 et a proposé un paramétrage de transfert de chaleur à travers l’interface de diffusion, qui a été mis à jour fréquemment et largement utilisée en situ observations océaniques²⁸ .

Dans cet article, un plan expérimental détaillé est décrit pour simuler le processus d’évolution de l’escalier de la DC, y compris la génération, le développement et la disparition, en stratifié eau saline chauffée par en dessous. La température et la salinité sont mesurés par un instrument de petite échelle, mais aussi les escaliers DC surveillés avec la technique des ombres. Le montage expérimental, processus d’évolution, analyse et discussion des résultats sont décrites en détail. En modifiant les initiales et les conditions aux limites, le présent dispositif expérimental et la méthode peuvent servir à simuler des autres phénomènes océaniques, tels que la convection océanique horizontale, éruptions hydrothermales en eau profonde, approfondissement de la couche de surface mixte, l’effet de sous-marin géothermique sur la circulation océanique et ainsi de suite.

Protocol

1. travail de réservoir Remarque : L’expérience est réalisée dans une cuve rectangulaire. Le réservoir comprend les plaques supérieure et inférieure et un mur latéral. Les plaques supérieure et inférieure sont en cuivre avec surfaces électrolytiques. Il y a une chambre de l’eau dans la plaque supérieure. Un coussin de chauffage électrique est inséré dans la plaque de fond. La paroi latérale est en Plexiglas transparent. La taille du réservoir est fx = 257 mm (lon…

Representative Results

La figure 1 illustre le schéma de l’installation expérimentale. Ses composants sont décrites dans le protocole. Les parties principales sont indiquées dans la Figure 1 a et le réservoir de travail détaillée est illustré à la Figure 1 b. La figure 2 illustre les variations de température au fond (Tb, la courbe rouge) et les plaques de haut (T,t, la courbe noire). Il est …

Discussion

Un plan expérimental détaillé est décrit dans cet article pour simuler les structures d’escalier DC thermohaline dans une cuve rectangulaire. Une stratification de densité linéaire initiale du fluide de travail est construite à l’aide de la méthode de deux-réservoir. La plaque supérieure est maintenue à une température constante et le fond un flux de chaleur constant. Le processus de toute l’évolution de l’escalier de la DC, y compris de sa génération, le développement, mergence et disparition, so…

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