Эволюция структур лестница в диффузионном конвекции
Summary
Диффузионное конвекции (DC) широко встречается в природных процессов и инженерных приложений, характеризуется серия лестницы с однородной convecting слои и стратифицированной интерфейсов. Экспериментальная процедура описана для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая создание, развитие и исчезновения, в прямоугольный бак.
Abstract
Диффузионное конвекции (DC) происходит, когда вертикальной стратифицированной плотность находится под контролем двух противоположных скалярных градиенты, которые имеют явно различных молекулярных diffusivities, и Градиенты скалярный большего и меньшего температуропроводности имеют положительные и отрицательные взносы для распределения плотности, соответственно. DC происходит во многих природных процессов и инженерных приложений, например, океанографии, астрофизики и металлургии. В океанах один из самых замечательных особенностей DC является вертикальные профили температуры и солености лестница как структура, состоящая из последовательных шагов с густой однородной convecting слои и сравнительно тонкий и высокой градиент интерфейсов. DC лестницы были отмечены многие океанов, особенно в Арктике и Антарктике океанов и играть важную роль в циркуляции вод океана и изменения климата. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов. Процесс DC имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на поверхностного таяния льда. По сравнению с ограничениями полевых наблюдений, лабораторный эксперимент показывает свое уникальное преимущество для эффективного изучения динамических и термодинамических процессов в DC, потому что строго регулируется граничных условий и контролируемых параметров. Здесь подробный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая его поколения, развития и исчезновения, в прямоугольный бак стратифицированной соленой водой. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов.
Introduction
Двухместный диффузионное конвекции (DDC) является одним из наиболее важных процессов, вертикального перемешивания. Это происходит, когда вертикальной плотности распределения столбце стратифицированной воды контролируется два или более Градиенты скалярный компоненты противоположных направлений, где компоненты имеют совершенно разные молекулярной diffusivities1. Он широко встречается в океанографии2, атмосферу3, геологии4, астрофизика5, материальная наука6, металлургии7и архитектурных инженерных8. DDC присутствует почти в половине из мирового океана, и он имеет существенное влияние на океанические процессы многомасштабной и даже климатические изменения9.
Существует два основных режима для DDC: соль палец (SF) и диффузионного конвекции (DC). SF возникает, когда теплой соленой воде массы перекрывает кулер, свежей воды в стратифицированном окружающей среды. Когда тепло и соленой воде лежит ниже чистой, холодной воды, образуют DC. Замечательной особенностью DC является то, что вертикальные профили температуры, солености и плотности лестница как, составленный alternant однородных convecting слои и тонкий, сильно стратифицированной интерфейсов. DC в основном происходит в высокоширотных океанах и некоторых внутренних соленых озер, таких как Арктики и Антарктики океанов, Охотского моря, Красного моря и Африканского озеро Киву10. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов11,12. Он имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на-таяния льда, который недавно вызывает все больше и больше интересов в океанографии сообщества13.
Структура лестница DC был впервые обнаружен в Северном Ледовитом океане в 1969 году14. После этого, Падман и Диллон15Тиммерманс и др. 11, Sirevaag & Fer16, Чжоу и Лу12, Гатри и др. 17, Bebieva и Тиммерманс18и Шибли и др. 19 измеряется DC лестницы в различных бассейнах Ледовитого океана, включая вертикальных и горизонтальных шкал convecting слоя и интерфейс, глубина и общая толщина лестницы, вертикальной теплообмен, DC процессов в мезомасштабные вихревые и временных и пространственных изменений структуры лестница. Шмид и др. 20 и Sommer и др. 21 наблюдается DC лестницы с помощью профилировщика микроструктуры в озере Киву. Они сообщили основная структура функций и потоков тепла DC и сравнении потоков измеренного тепла с существующие параметрические формулой. С компьютерной обработки улучшение скорости численное моделирование DC недавно было сделано, например, для изучения интерфейс структура и нестабильности, передача тепла через интерфейс, слой слияния событий и так далее22, 23 , 24.
Поля наблюдений позволило значительно расширить понимание океана DC для океанографов, но измерения сильно ограничены неопределенного океанических потока сред и инструментов. Например интерфейс DC имеет крайне небольшой вертикальный масштаб, тоньше, чем 0,1 м в некоторых озерах и океанов25, и необходимы некоторые специальные инструменты высокого разрешения. Лабораторный эксперимент показывает свои уникальные преимущества в изучении основных динамических и термодинамических законы постоянного тока. С лаборатории эксперимента можно наблюдать эволюцию DC лестницы, измерить температуру и соленость и предложить некоторые параметризации для океанических приложений26,27. Кроме того, в лаборатории эксперимента, контролируемые параметры и условия легко корректируются по мере необходимости. К примеру Тёрнер сначала моделируется DC лестница в лаборатории в 1965 году и предложил параметризации передачи тепла через диффузионное интерфейс, который был часто обновляется и широко используются в в situ океанических наблюдений28 .
В этом документе подробный экспериментальный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестницы, включая поколения, развития и исчезновения, в стратифицированном соленой воды, нагревают снизу. Температура и соленость измеряются инструмента микро масштабе, а также DC лестницы, отслеживаемых с помощью метода shadowgraph. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов. Изменяя первоначальный и граничных условий, нынешней экспериментальной установки и метод может использоваться для моделирования других океанических явлений, таких как океанические горизонтальных конвекции, глубоководных гидротермальных извержения, углубление поверхности перемешанный слой, эффект подводная лодка геотермальных на циркуляции в океане и так далее.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящем документе описывается подробный экспериментальный протокол для имитации термохалинной структуры лестница DC в прямоугольный бак. Первоначальный линейной плотности стратификации рабочей жидкости построен с использованием метода двух танк. Верхняя плита хранится в постоя…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана китайского NSF грантов (41706033, 91752108 и 41476167), Grangdong NSF грантов (2017A030313242 и 2016A030311042) и LTO Грант (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).
