扩散对流中阶梯结构的演化
Summary
扩散对流 (DC) 广泛地发生在自然过程和工程应用中, 其特征是一系列具有均匀对流层和分层界面的楼梯。本文用实验的方法模拟了直流楼梯结构的演化过程, 包括矩形储罐的产生、发展和消失。
Abstract
扩散对流 (DC) 发生在垂直分层密度由两个对立的标量梯度控制, 具有明显不同的分子管内, 和更大和更小的扩散率标量梯度有负和正密度分布的贡献, 分别。DC 发生在许多自然过程和工程学应用, 例如, 海洋学, 天体物理学并且冶金学。在海洋中, DC 最显著的特征之一是垂直温度和盐度剖面是阶梯状结构, 由连续的台阶组成, 具有厚的均匀对流层和相对稀薄和高梯度的界面。在许多海洋中, 特别是在北极和南极海洋中观察到了 DC 楼梯, 并在海洋环流和气候变化方面发挥了重要作用。在北冰洋, 上层和深海存在盆宽和持续的直流楼梯。直流过程对全密度在上层海洋中的混合具有重要影响, 并可能对地表融冰产生显著影响。与现场观测的局限性相比, 实验室实验表明, 通过严格调整边界条件和受控参数, 可以有效地检测 DC 的动态和热力过程, 具有独特的优越性。本文详细介绍了一种用分层盐水填充的矩形储罐中直流楼梯结构的演化过程, 包括其产生、发展和消失。详细介绍了实验装置、进化过程、数据分析和结果讨论。
Introduction
双扩散对流 (DDC) 是最重要的垂直混合过程之一。当分层水柱的垂直密度分布受两个或多个相反方向的标量分量梯度控制时, 其成分具有明显的不同的分子管内1。它广泛发生在海洋学2, 大气3, 地质学4, 天体物理学5, 材料科学6, 冶金7, 和建筑工程8。DDC 在全球海洋中几乎有一半存在, 对海洋多尺度过程乃至气候变化有重要影响9。
DDC 有两种主要模式: 盐指 (SF) 和扩散对流 (DC)。SF 发生时, 当一个温暖, 咸水大量覆盖冷却器, 新鲜的水在分层的环境。当温暖和咸水位于寒冷和淡水之下, DC 将形成。DC 的显著特征是温度、盐度和密度的垂直剖面是阶梯状的, 由交替的均匀对流层和薄的、强烈的分层界面组成。DC 主要发生在高纬度海域和一些内部盐湖, 如北极和南极海、鄂霍次克海、红海和非洲基伍湖10。在北冰洋, 有盆宽和持续的 DC 楼梯在上部和深海11,12。它对全密度在大洋中的混合具有重要的影响, 并可能对冰的融化产生显著影响, 这在13的海洋学界引起了越来越多的关注。
直流楼梯结构最早在 1969年14在北冰洋被发现。之后, Padman & 迪伦15, Timmermans等。11、Sirevaag &16、周 & 路12、和al。17、Bebieva & Timmermans18、Shibley 等。19测量了北冰洋不同盆地的直流楼梯, 包括对流层和界面的垂直和水平尺度、楼梯的深度和总厚度、垂直传热、直流过程中尺度涡和阶梯结构的时空变化。施密德等。20和索默等。21用基伍湖中的显微组织探查器观察了直流楼梯。报告了直流输电的主要结构特点和热流, 并与现有的参数公式进行了比较。随着计算机处理速度的提高, 最近对 DC 进行了数值模拟, 以检验界面结构和不稳定性, 通过接口进行传热, 层合并事件等22,23,24。
野外观测大大提高了海洋学家对海洋 DC 的认识, 但由于不确定的海洋水流环境和仪器, 测量受到了强烈的限制。例如, DC 接口的垂直尺度非常小, 在一些湖泊和海洋中的比例小于0.1 米,需要一些特殊的高分辨率仪器。实验表明, 它在探索直流电的基本动力和热力学规律方面具有独特的优越性。通过实验室实验, 可以观察直流楼梯的演变, 测量温度和盐度, 并提出26、27大洋应用的一些参数。此外, 在实验室实验中, 受控参数和条件根据需要随时进行调整。例如, 特纳在1965年首次模拟了实验室中的直流楼梯, 并提出了跨扩散界面的传热参数化, 这在原位海洋观测中经常得到更新和广泛应用28.
本文介绍了一个详细的实验协议, 用于模拟直流楼梯的演化过程, 包括从下面加热的分层盐水的产生、发展和消失。温度和盐度由微尺度仪和皮影技术监测的直流楼梯测量。详细介绍了实验装置、进化过程、数据分析和结果讨论。通过改变初始条件和边界条件, 本实验设置和方法可用于模拟其它海洋现象, 如海洋水平对流、深海热液喷发、表层混合层加深、海底地热的海洋环流等。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文介绍了一种用于模拟矩形储罐环流直流楼梯结构的详细实验协议。采用双槽法构造了工作液的初始线性密度分层。顶板保持在恒定的温度和底部一个在恒定的热流。采用皮影技术, 对直流楼梯的产生、发展、融合、消失等全过程进行了可视化处理, 用高精度探针记录了温度和盐度的变化。通过这些测量, 不仅可以定性地观察楼梯的变化, 还能定量分析温度、盐度和密度的变化。此外,在原位</e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国 nsf 赠款 (41706033、91752108和 41476167)、Grangdong nsf 赠款 (2017A030313242 和 2016A030311042) 和 LTO 赠款 (LTOZZ1801) 的支持。
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).
