Evoluzione delle strutture di scala in convezione diffusivo

Summary

Convezione diffusivo (DC) si verifica ampiamente nei naturali processi e applicazioni ingegneristiche, caratterizzate da una serie di scale con strati omogenei convettiva e interfacce stratificate. Una procedura sperimentale è descritta per simulare il processo di evoluzione della struttura scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare.

Abstract

Diffusivo convezione (DC) si verifica quando la verticale stratificata densità è controllata da due opposti scalari sfumature che hanno distintamente differente diffusività molecolare e i gradienti di scalare più grandi e più piccoli-diffusività sono positivi e negativi contributi per la distribuzione di densità, rispettivamente. La DC si verifica in molti processi naturali e applicazioni di ingegneria, per esempio, oceanografia, astrofisica e metallurgia. Negli oceani, una delle caratteristiche più notevoli di DC è che i profili verticali di temperatura e salinità sono scala-come la struttura, composta di passaggi consecutivi con spessi strati omogenei convettiva e interfacce relativamente sottile e ad alto gradiente. Le scale di DC sono state osservate in molti oceani, soprattutto nell’Artico e Antartico oceani e svolgono un ruolo importante sulla circolazione oceanica e cambiamento climatico. Nell’Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiori e profondi. Il processo di DC ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell’oceano superiore e può influenzare significativamente il ghiaccio-fusione superficiale. Rispetto alle limitazioni di osservazioni sul campo, esperimento di laboratorio Mostra relativo vantaggio unico di esaminare in modo efficace i processi di dinamici e termodinamici in DC, perché le condizioni al contorno e i parametri controllati possono essere strettamente registrati. Qui, un protocollo dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della struttura di scala DC, tra cui la sua generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare riempita con acqua salina stratificato. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio.

Introduction

Doppia convezione diffusivo (DDC) è uno dei più importanti processi di miscelazione verticali. Si verifica quando la distribuzione di densità verticale della colonna d’acqua stratificato è controllata da due o più sfumature di componenti scalari di direzioni opposte, dove i componenti sono distintamente differenti diffusività molecolare¹. Si presenta ampiamente in Oceanografia², atmosfera³, geologia⁴, astrofisica⁵, scienza dei materiali⁶, metallurgia⁷e ingegneria architettonica⁸. DDC è presente in quasi la metà dell’oceano globale, e ha importanti effetti sul oceanici multi-scala processi e cambiamenti climatici anche⁹.

Ci sono due modalità principali per DDC: sale dito (SF) e diffusivo convezione (DC). SF si verifica quando un acqua calda salata acqua più fresco, più fresco nell’ambiente stratificato si sovrapponga a massa. Quando l’acqua calda e salata si trova sotto l’acqua fredda e fresca, si formerà la DC. La caratteristica notevole del controller di dominio è che i profili verticali della temperatura, salinità e densità sono scala-come, composta da alternant omogenea convettivo strati e interfacce sottile, fortemente stratificate. DC si verifica principalmente negli oceani di alta latitudine e alcuni laghi salati interni, quali l’Artico e Antartico oceani, il mare di Okhotsk, il mar rosso e lago Kivu African¹⁰. Nell’Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiore e profondo^11,12. Ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell’oceano superiore e possono influenzare significativamente il ghiaccio-fusione, che recentemente suscita sempre più interesse in Oceanografia comunit๳.

La struttura di scala DC fu scoperto nell’Oceano Artico nel 1969¹⁴. Dopo quello, paolieri & Dillon¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸e Shibley et al. ¹⁹ misurato le scale DC in diversi bacini dell’oceano artico, compresa la verticale e orizzontale scale dello strato convettiva e interfaccia, la profondità e lo spessore totale della scala, verticale trasferimento di calore, i processi di DC in mesoscala eddy e i cambiamenti temporali e spaziali delle strutture scala. Schmid et al. ²⁰ e Sommer et al. ²¹ osservato le scale DC utilizzando un profiler di microstruttura nel lago Kivu. Hanno riportato le caratteristiche della struttura principale e flussi di calore di DC e rispetto i flussi di calore misurato con la formula parametrica esistente. Con miglioramento della velocità di elaborazione del computer, recentemente sono state fatte simulazioni numeriche della DC, ad esempio, per esaminare l’interfaccia struttura e instabilità, trasferimento di calore attraverso interfaccia, evento fusione di strato e così via^{22, 23 , 24}.

Osservazione del campo ha notevolmente migliorato la comprensione dell’oceano DC per gli oceanografi, ma la misura è fortemente limitata dalla strumenti e ambienti di indeterminato fluire oceanica. Ad esempio, l’interfaccia di DC ha una scala verticale estremamente piccola, più sottile di 0.1 m in alcuni laghi e oceani²⁵, e sono necessari alcuni strumenti speciali ad alta risoluzione. L’esperimento di laboratorio Mostra i suoi vantaggi unici in esplorare le leggi fondamentali di dinamiche e termodinamiche della DC. Con un esperimento di laboratorio, uno può osservare l’evoluzione della scala DC, misurare la temperatura e la salinità e proporre alcuni parametrizzazioni per l’applicazioni oceanic^26,27. Inoltre, in un esperimento di laboratorio, i parametri controllati e condizioni prontamente sono regolate come richiesto. Ad esempio, Turner prima simulato la scala DC in laboratorio nel 1965 e proposto una parametrizzazione del trasferimento di calore attraverso l’interfaccia diffusivo, che è stato frequentemente aggiornato e ampiamente utilizzato nelle osservazioni oceaniche in situ ²⁸ .

In questa carta, un protocollo sperimentale dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in stratificato acqua salina riscaldata dal basso. La temperatura e la salinità sono misurate da uno strumento di micro-scala, così come le scale DC monitorate con la tecnica di shadowgraph. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio. Alterando le fasi iniziali e condizioni al contorno, la messa a punto sperimentale presente e il metodo può essere utilizzati per simulare altri fenomeni oceanici, come la convezione oceanica orizzontale, d’altura eruzioni idrotermali, strato superficiale misto approfondimento, l’effetto di sottomarino geotermica sulla circolazione oceanica e così via.

Protocol

1. lavoro serbatoio Nota: L’esperimento è effettuato in una vasca rettangolare. Il serbatoio comprende piastre superiore e inferiore e una parete laterale. Le piastre superiore e inferiore sono in rame con superfici elettrolitica. C’è una camera dell’acqua all’interno della piastra superiore. Un rilievo di riscaldamento elettrico è inserito nella piastra inferiore. La parete laterale è in Plexiglas trasparente. La dimensione del serbatoio è Lx = 257 mm (lunghezza), Ly …

Representative Results

Figura 1 Mostra lo schema dell’apparato sperimentale. Suoi componenti sono descritti nel protocollo. Le parti principali sono mostrate in Figura 1a e il serbatoio di lavoro dettagliato è mostrato in Figura 1b. La figura 2 Mostra i cambiamenti di temperatura nella parte inferiore (T,b, la curva rossa) e piastre superiore (T,t, la curva nera). È indicato che la temperatura delle du…

Discussion

In questo articolo è descritto un dettagliato protocollo sperimentale per simulare le strutture di scala termoalina DC in una vasca rettangolare. Una stratificazione di densità lineare iniziale del fluido di lavoro è costruita utilizzando il metodo di due bombole. La piastra superiore è mantenuta a una temperatura costante e quello inferiore al flusso di calore costante. Il processo di intera evoluzione della scala DC, tra cui la sua generazione, sviluppo, Unione e scomparsa, sono visualizzati con la tecnica di shado…

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