Evolución de las estructuras de la escalera en convección difusión
Summary
Difusión por convección (DC) se produce ampliamente en procesos naturales y aplicaciones de ingeniería, caracterizadas por una serie de escaleras con interfaces estratificadas y homogéneas capas convectiva. Un procedimiento experimental se describe para simular el proceso de evolución de la estructura de escalera de DC, incluyendo la generación, desarrollo y desaparición, en un tanque rectangular.
Abstract
Difusión por convección (DC) se produce cuando la vertical estratificado densidad es controlada por dos opuestos gradientes escalares que diffusivities moleculares muy diferentes, y los gradientes escalares difusividad más grandes y más pequeñas tienen positivo y negativo contribuciones para la distribución de la densidad, respectivamente. El CC ocurre en muchos procesos naturales y aplicaciones de ingeniería, por ejemplo, la oceanografía, la astrofísica y la metalurgia. En los océanos, una de las características más notables de DC es que los perfiles verticales de temperatura y salinidad son escalera-como la estructura, compuesta de pasos consecutivos con gruesas capas de convección homogéneas e interfaces relativamente delgadas y alta gradiente. Las escaleras de DC se han observado en muchos océanos, especialmente en el Ártico y océanos antárticos y juegan un papel importante en la circulación de los océanos y el cambio climático. En el océano Ártico, existen escaleras DC toda la cuenca y persistentes en los océanos superiores y profunda. El proceso de la DC tiene un efecto importante sobre la diapicna de mezcla en el océano superior y puede influir significativamente en el deshielo superficial. En comparación con las limitaciones de las observaciones de campo, experimento de laboratorio demuestra su ventaja única para examinar eficazmente los procesos dinámicos y termodinámicos en DC, porque pueden ajustarse estrictamente las condiciones de límite y los parámetros controlados. Aquí, un protocolo detallado se describe para simular el proceso de evolución de la estructura de escalera de DC, incluyendo su generación, desarrollo y desaparición, en un tanque rectangular con agua salina estratificado. La disposición experimental, proceso de evolución, análisis de datos y discusión de resultados se describen en detalle.
Introduction
Doble difusión convección (DDC) es uno de los más importantes procesos de mezcla vertical. Ocurre cuando la distribución de densidad vertical de la columna de agua estratificada es controlada por gradientes de dos o más componentes escalares de direcciones opuestas, donde los componentes tienen distintamente diferente diffusivities molecular1. Ocurre ampliamente en Oceanografía2, ambiente3, geología4, Astrofísica5, ciencia de los materiales6, metalurgia7y ingeniería arquitectónica8. DDC está presente en casi la mitad del océano global, y tiene efectos importantes sobre los procesos oceánicos de varias escalas y cambios climáticos incluso9.
Hay dos modos primarios de DDC: dedo (SF) y la difusión por convección (DC) de la sal. SF se produce cuando un agua tibia y salada masa cubre agua más fresco, más fresco en el ambiente estratificado. Cuando el agua caliente y salado se encuentra por debajo del frío y de agua dulce, forman el DC. La característica notable de la DC es que los perfiles verticales de temperatura, salinidad y densidad están escalera-como, compuesto por alternante convectiva capas e interfaces delgadas, fuertemente estratificadas homogénea. C.C. ocurre principalmente en los océanos de alta latitud y algunos salares interiores, como el Ártico y los océanos Antártico, el mar de Ojotsk, el mar rojo y África lago Kivu10. En el océano Ártico, existen escaleras DC toda la cuenca y persistentes en el superior y profundos océanos11,12. Tiene un efecto importante en la diapicna mezcla en el océano superior y pueden influir significativamente en el hielo-derretir, que recientemente despierta a más interés en la comunidad de Oceanografía13.
La estructura de escalera de DC fue descubierta en el océano Ártico en 196914. Después de eso, Padman & Dillon15, Timmermans et al. 11, Sirevaag y Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva y Timmermans18y Shibley et al. 19 midió las escaleras DC en diferentes cuencas del océano Ártico, incluyendo la vertical y escala horizontal de la capa convectiva y la interfaz, la profundidad y el espesor total de la escalera, la vertical traspaso térmico, los procesos de CC en eddy de mesoescala y los cambios temporales y espaciales de las estructuras de la escalera. Schmid et al. 20 y Sommer et al. 21 observa las escaleras DC usando un analizador de la microestructura en el lago Kivu. Informó las características de la estructura principal y flujos de calor de DC y en comparación con los flujos de calor medido con la fórmula paramétrica existente. Con ordenador mejora de velocidad de procesamiento, recientemente se han realizado las simulaciones numéricas de DC, por ejemplo, para examinar la interfaz de estructura e inestabilidad, transferencia de calor a través de la interfaz, evento de fusión de la capa y así sucesivamente22, 23 , 24.
La observación del campo ha mejorado enormemente la comprensión del océano DC para oceanógrafos, pero la medida es fuertemente limitada por instrumentos y entornos de indeterminado flujo oceánico. Por ejemplo, la interfaz de CC tiene una escala vertical extremadamente pequeña, más delgado que 0,1 m en algunos lagos y océanos25, y son necesarios algunos instrumentos especiales de alta resolución. El experimento de laboratorio muestra sus ventajas únicas en la exploración de las leyes fundamentales de la dinámicas y termodinámicas del DC. Con un experimento de laboratorio, uno puede observar la evolución de la escalera de la DC, medir la temperatura y la salinidad y proponer algunas parametrizaciones para la aplicaciones oceánicas26,27. Además, en un experimento de laboratorio, las condiciones y parámetros de controlados son fácilmente ajustar como sea necesario. Por ejemplo, Turner primero simuló la escalera de la DC en el laboratorio en 1965 y propuso una parametrización de la transferencia de calor a través de la interfaz difusiva, que se actualiza con frecuencia y se utiliza extensivamente en las en situ observaciones oceánicas28 .
En este documento, un protocolo experimental detallado se describe para simular el proceso de evolución de la escalera de la DC, incluyendo la generación, desarrollo y desaparición, en agua salina estratificado calentado desde abajo. La temperatura y la salinidad son medidos por un instrumento de micro escala, así como las escaleras de DC está supervisadas con la técnica de shadowgraph. La disposición experimental, proceso de evolución, análisis de datos y discusión de resultados se describen en detalle. Alterando las condiciones iniciales y límite, la presente disposición experimental y el método pueden utilizarse para simular otros fenómenos oceánicos, tales como la convección oceánica horizontal, erupciones hidrotermales profundas, profundización de la capa de mezcla superficial, el efecto de submarino de geotermia en la circulación oceánica y así sucesivamente.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este trabajo se describe un protocolo experimental detallado para simular las estructuras termohalina C.C. escalera de un tanque rectangular. Una estratificación de densidad lineal inicial del fluido de trabajo se construye mediante el método de dos tanques. La placa superior se mantiene a una temperatura constante y la parte inferior en el flujo de calor constante. El proceso de la evolución entera de la escalera de la DC, incluyendo su generación, desarrollo, mergence y desaparición, son visualizados con la té…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de NSF chino (41706033, 91752108 y 41476167), subvenciones Grangdong NSF (2017A030313242 y 2016A030311042) y 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
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