Evolução das estruturas de escadaria em convecção difusiva
Summary
Convecção difusiva (DC) ocorre amplamente em processos naturais e aplicações de engenharia, caracterizadas por uma série de escadarias com camadas convectivo homogêneas e interfaces estratificadas. Um procedimento experimental é descrito para simular o processo de evolução da estrutura de escada de DC, incluindo a geração, desenvolvimento e desaparecimento, em um tanque retangular.
Abstract
Convecção difusiva (DC) ocorre quando o vertical estratificada densidade é controlada por dois opostos gradientes escalares que têm distintamente diferentes difusividades moleculares, e gradientes de escalar os maiores e menores-difusividade tem negativo e positivo contribuições para a distribuição de densidade, respectivamente. O DC ocorre em muitos processos naturais e aplicações de engenharia, por exemplo, a oceanografia, a astrofísica e a metalurgia. Nos oceanos, uma das características mais notáveis da DC é que os perfis verticais de temperatura e salinidade são estrutura de escada, composta por etapas consecutivas com camadas espessas de convecção homogêneas e interfaces relativamente finas e alta-gradiente. As escadarias de DC tem sido observadas em muitos oceanos, especialmente no Ártico e Antártico oceanos e desempenham um papel importante na circulação oceânica e alterações climáticas. No Oceano Ártico, existem escadas de DC toda a bacia e persistentes nos oceanos profundos e superiores. O processo de DC tem um efeito importante na diapycnal de mistura no oceano superior e pode influenciar significativamente o superfície derretimento de gelo. Comparado com as limitações de observações de campo, experiência laboratorial mostra sua vantagem exclusiva para examinar eficazmente os processos dinâmicos e termodinâmicos em DC, porque as condições de contorno e os parâmetros controlados estritamente regulável. Aqui, um protocolo detalhado é descrito para simular o processo de evolução da estrutura de escada DC, incluindo a sua geração, desenvolvimento e desaparecimento, num tanque Retangular preenchido com água salina estratificada. A instalação experimental, processo de evolução, análise de dados e discussão dos resultados são descritos em detalhe.
Introduction
Convecção difusiva dupla (DDC) é um dos mais importantes processos de misturando verticais. Ocorre quando a distribuição de densidade vertical da coluna de água estratificada é controlada por dois ou mais gradientes de componentes escalares de direções opostas, onde os componentes têm distintamente diferentes difusividades molecular1. Amplamente ocorre em Oceanografia2, da atmosfera3, geologia4, astrofísica5, ciência material6, metalurgia7e engenharia arquitetura8. DDC está presente em quase metade do oceano global, e tem efeitos importantes sobre processos oceânicos multi-escala e mudanças climáticas até9.
Há dois modos principais de DDC: sal dedo (SF) e convecção difusiva (DC). SF ocorre quando uma água quente e salgada massa overlies água mais fresca, mais fresca no ambiente estratificado. Quando a água quente e salgada encontra-se abaixo da água fria e fresca, a DC irá formar. A característica notável da DC é que os perfis verticais de temperatura, salinidade e densidade são semelhantes a escadaria, composta por alternant homogênea convectando por camadas e interfaces finas, fortemente estratificadas. DC ocorre principalmente em oceanos de latitude alta e alguns lagos de sal interiores, tais como o Ártico e Antártico oceanos, o mar de Okhotsk, mar vermelho e Africano Lago Kivu10. No Oceano Ártico, existem escadas de DC toda a bacia e persistentes nos oceanos profundos e superior11,12. Tem um efeito importante na diapycnal de mistura no oceano superior e pode influenciar significativamente o gelo-derretimento, que recentemente desperta interesses cada vez mais na Comunidade oceanografia13.
A estrutura de escada DC foi descoberta no Oceano Ártico em 196914. Depois disso, Pantoja & Dillon15, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18e Shibley et al. 19 medido as escadarias de DC em diferentes bacias do Oceano Ártico, incluindo vertical e horizontais escamas da camada convectivo e interface, a profundidade e a espessura total da escada, transferência, os processos de DC em de calor vertical eddy de mesoescala e as mudanças temporais e espaciais das estruturas escadaria. Silva et al. 20 e Sommer et al 21 observadas as escadarias DC usando um gerador de perfil de microestrutura no Lago Kivu. Eles relataram as características principais da estrutura e fluxos de calor de DC e comparado os fluxos de calor medidos com a fórmula paramétrica existente. Com computador melhorando de velocidades de processamento, as simulações numéricas de DC recentemente tem sido feitas, por exemplo, para examinar a interface estrutura e instabilidade, transferência de calor através de interface, camada evento se fundem e assim por diante22, 23 , 24.
Observações de campo tem bastante reforçada a compreensão do oceano DC para oceanógrafos, mas a medição é fortemente limitada por instrumentos e ambientes de fluxo oceânica indeterminado. Por exemplo, a interface de DC tem uma escala vertical extremamente pequena, mais fino do que 0,1 m em alguns lagos e oceanos,25, e são necessários alguns instrumentos especiais de alta resolução. O experimento de laboratório mostra suas vantagens exclusivas em explorar as leis fundamentais da dinâmicas e termodinâmicas de DC. Com uma experiência de laboratório, um pode observar a evolução da escada DC, medir a temperatura e salinidade e propor algumas parametrizações para as aplicações da oceanic26,27. Além disso, em um experimento de laboratório, os parâmetros controlados e condições são facilmente ajustadas conforme necessário. Por exemplo, Turner primeiro simulado a escadaria de DC no laboratório em 1965 e propôs uma parametrização de transferência de calor através da interface difusiva, que foi atualizada com frequência e usada extensivamente em situ oceânica observações28 .
Neste trabalho, um protocolo experimental pormenorizado é descrito para simular o processo de evolução da escada DC, incluindo a geração, desenvolvimento e desaparecimento, em estratificada água salina aquecida por baixo. A temperatura e a salinidade são medidos por um instrumento de micro escala, bem como as escadarias de DC, sendo monitorizadas com a técnica de shadowgraph. A instalação experimental, processo de evolução, análise de dados e discussão dos resultados são descritos em detalhe. Alterando a inicial e as condições de contorno, a actual configuração experimental e o método podem ser usados para simular outros fenômenos oceânicos, tais como as áreas de convecção oceânica horizontal erupções hidrotermais em alto mar, misto de camada superficial aprofundamento, o efeito de Submarino geotérmico na circulação oceânica e assim por diante.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste trabalho um protocolo experimental pormenorizado é descrito para simular as estruturas de escadaria termoalina DC em um tanque retangular. Uma estratificação de densidade linear inicial do fluido de trabalho é construída usando o método de dois-tanque. A placa superior deve é mantida a uma temperatura constante e a de baixo no fluxo de calor constante. O processo de evolução toda da escada DC, incluindo a sua geração, desenvolvimento, aproximação e desaparecimento, são visualizados com a técnica de s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pelo subsídios chineses NSF (41706033, 91752108 e 41476167), subsídios de Guangdong NSF (2017A030313242 e 2016A030311042) e concessão LTO (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
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