تطور الهياكل الدرج في الحمل الحراري انتشارية

Summary

انتشارية الحراري (DC) يحدث على نطاق واسع في العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، تتميز بمجموعة من السلالم مع طبقات كونفيكتينج متجانسة وواجهات طبقية. إجراء تجريبي وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيل.

Abstract

انتشارية الحراري (DC) يحدث عند الرأسي طبقات يسيطر الكثافة اثنين يعارضان التدرجات العددية التي قد ديفوسيفيتيس الجزيئية اختلافاً واضحا، والتدرجات أكبر-وأصغر-الانتشارية العددية بالسلبية والإيجابية مساهمات لتوزيع كثافة، على التوالي. وحدة تحكم المجال DC يحدث في كثير من العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، على سبيل المثال، علم المحيطات والفيزياء الفلكية وعلم المعادن. في المحيطات، واحدة من أبرز سمات DC أن درجة الحرارة والملوحة من رأسية هيكل مثل الدرج، تتكون من خطوات متتالية مع طبقات سميكة من كونفيكتينج متجانسة وواجهات رقيقة والتدرج عالية نسبيا. وقد لوحظ في العديد من المحيطات، وخاصة في القطب الشمالي والقطب الجنوبي المحيطات، سلالم DC وتلعب دوراً هاما في دوران المحيطات والتغير المناخي. في المحيط المتجمد الشمالي، وتوجد سلالم DC على نطاق الحوض والمستمرة في العلوي وأعماق المحيطات. عملية DC له تأثير هام على ديابيكنال الاختلاط في المحيط العلوي وقد يؤثر بشكل كبير ذوبان الجليد السطحي. مقارنة بالقيود المفروضة على الملاحظات الميدانية، تبين التجربة المعملية ميزته الفريدة دراسة فعالية العمليات الدينامية والدينامية الحرارية في العاصمة، لأنه يمكن تعديل شروط الحدود والمعلمات التي تسيطر عليها تماما. هنا، بروتوكول مفصلة وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيلة مليئة بالمياه المالحة طبقية. ويرد في الإعداد التجريبية، عملية تطور، وتحليل البيانات، ومناقشة النتائج بالتفصيل.

Introduction

المزدوج الحراري انتشارية (DDC) واحدة من أهم العمليات خلط الرأسي. يحدث عندما تسيطر التدرجات مكونات مفردة اثنين أو أكثر من اتجاهين متعاكسين، التي يكون فيها المكونات اختلافاً ديفوسيفيتيس الجزيئية¹توزيع الكثافة العمودية لعمود المياه الطبقية. فإنه يحدث على نطاق واسع في علوم المحيطات²الغلاف الجوي³، الجيولوجيا⁴، والفيزياء الفلكية⁵، علم المواد⁶، والمعادن⁷، و الهندسة المعمارية⁸. DDC موجود في ما يقرب من نصف المحيط العالمي، ولها آثار هامة على المحيطات مقياس متعدد العمليات والتغيرات المناخية حتى⁹.

هناك وضعان الأولية ل DDC: الملح الإصبع (SF) وانتشارية الحراري (DC). سادس يحدث عندما الماء الحار والمالح الخازنة الجماهيري المياه الأكثر برودة، وأعذب في بيئة طبقية. عند المياه الحارة والمالحة تقع تحت الماء البارد والطازج، وستشكل وحدة تحكم المجال DC. ميزة رائعة من وحدة تحكم المجال DC أن درجة الحرارة والملوحة والكثافة من رأسية مثل الدرج، تتألف من التيرنانت متجانسة كونفيكتينج الطبقات والواجهات رقيقة، وطبقية بشدة. العاصمة يحدث أساسا في خطوط العرض المرتفعة المحيطات وبعض البحيرات المالحة الداخلية، مثل القطب الشمالي والقطب الجنوبي المحيطات، بحر أوخوتسك، والبحر الأحمر وبحيرة كيفو الأفريقية¹⁰. في المحيط المتجمد الشمالي، وتوجد سلالم DC على نطاق الحوض والمستمرة في^11،العلوي وأعماق المحيطات¹². له تأثير هام على ديابيكنال الاختلاط في المحيط العلوي، وقد تؤثر تأثيراً كبيرا الجليد الذوبان، الذي يثير مؤخرا مصالح أكثر وأكثر في المجتمع علوم البحار¹³.

كان أول من اكتشف هيكل الدرج DC في المحيط المتجمد الشمالي في عام 1969¹⁴. وبعد ذلك، بادمان & ديلون¹⁵، تيمرمانز وآخرون. ¹¹، سيريفاج & Fer¹⁶، تشو & لو¹²، غوثري وآخرون. بيبيفا & تيمرمانز¹⁸، ¹⁷وشبلي وآخرون. ¹⁹ تقاس سلالم DC في أحواض مختلفة من المحيط المتجمد الشمالي، بما في ذلك الرأسي وجداول أفقية لطبقة كونفيكتينج وواجهة، وعمق وسمك إجمالي من الدرج، نقل، عمليات DC في الحرارة العمودي الدوامة المتوسطة المدى والتغيرات الزمنية والمكانية لهياكل الدرج. شميد وآخرون. ²⁰ وسومر et al. ولاحظ ²¹ سلالم DC باستخدام التعريف المجهرية في بحيرة كيفو. أنها أفادت بميزات الهيكل الرئيسي وتدفقات الحرارة من العاصمة ومقارنة تدفقات الحرارة المقاسة مع الصيغة حدودي الموجودة. مع تجهيز تحسين سرعة الكمبيوتر، المحاكاة العددية للعاصمة وقد أجريت مؤخرا، على سبيل المثال، دراسة الواجهة الهيكل وعدم الاستقرار، ونقل الحرارة من خلال واجهة، طبقة الحدث المندمجة، وذلك على^{22، 23 , 24}.

وعززت المراقبة الميدانية إلى حد كبير فهم المحيطات DC لعلماء المحيطات، ولكن القياس بقوة محدودة من بيئات غير محدد التدفق المحيطي والصكوك. على سبيل المثال، واجهة العاصمة مقياس عمودي صغير للغاية، أرق من 0.1 متر في بعض البحيرات والمحيطات²⁵، وهناك حاجة إلى بعض الصكوك ذات الدقة العالية الخاصة. وتبين التجربة المعملية مزاياه الفريدة في استكشاف القوانين الدينامية والدينامية الحرارية الأساسية للعاصمة. مع تجربة مختبرية، أحد مراقبة تطور الدرج DC، وقياس درجة الحرارة والملوحة، وتقترح بعض تيقنها لل^26،التطبيقات المحيطية²⁷. وعلاوة على ذلك، في تجربة مختبرية، المعلمات التي تسيطر عليها والشروط هي سهولة تعديلها كما هو مطلوب. على سبيل المثال، أولاً تيرنر محاكاة الدرج DC في المختبر في عام 1965، واقترحت تحديد المعايير والثوابت نقل حرارة عبر واجهة انتشارية، التي تم تحديثها بشكل متكرر وتستخدم على نطاق واسع في الملاحظات المحيطية في الموقع ²⁸ .

في هذه الورقة، بروتوكول تجريبي مفصلة وصف لمحاكاة عملية تطور من الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في المياه المالحة طبقية ساخنة من أسفل. يتم قياس درجة الحرارة والملوحة بصك الحجم الصغير، فضلا عن سلالم DC التي يجري رصدها مع تقنية شادووجراف. ويرد في الإعداد التجريبية، عملية تطور، وتحليل البيانات، ومناقشة النتائج بالتفصيل. بتغيير الأولى وشروط الحدود، يمكن استخدام هذا الإعداد التجريبية وطريقة لمحاكاة الظواهر المحيطية الأخرى، مثل الحراري الأفقي المحيطية، الانفجارات الحرارية المائية في أعماق البحار، وتعميق الطبقة السطحية المختلطة، أثر الغواصة الطاقة الحرارية الأرضية في الدوران المحيطي، وهلم جرا.

Protocol

1-العمل للدبابات

ملاحظة: تجري التجربة في خزان مستطيل. الخزان يتضمن لوحات العلوي والسفلي وجدار الجانبي. لوحات العلوي والسفلي مصنوعة من النحاس مع الأسطح مطلي. وهناك دائرة مياه داخل اللوحة العلوية. يتم إدراج لوحة تدفئة كهربائية في أسفل لوحة. الجدار الجانبي عن زجاجي شفاف. هو حجم خزان ل_x = 257 مم (الطول)، L_y = 65 مم (العرض) ول_z = 257 مم (الارتفاع). سمك الجدار 9.5 ملم.

1. تنظيف ألواح النحاس وجدار زجاجي بعناية مع الماء المقطر.
2. تجميع الدبابة بمسامير للتأكد من أن الخزان المياه محكم.
3. إعداد إطار الفولاذ المقاوم للصدأ داعمة (ارتفاع 150 مم) على طاولة بصرية وإصلاح الخزان فوق الإطار مع حرارة العزل لوح بينهما، مما يحد من تسرب الحرارة من خزان العامل إلى الجدول.
4. إدراج ثلاثة ثيرميستورس (استقرار درجة الحرارة من 0.01 درجة مئوية) في كل لوحة وتوصيلها إلى متعدد رقمية. ملاحظة يتم استخدام هذه ثيرميستورس لرصد درجات حرارة لوحات العلوي والسفلي.
5. ضع "الموصلية" الصغيرة الحجم ودرجة الحرارة الصك (مسكتي) داخل الصهريج وتوصيله إلى اقتناء البيانات متعددة الوظائف (MDA). إصلاح مسكتي إلى مرحلة ترجمة دقيقة المزودة بمحركات (MPTS).
   ملاحظة: لاحظ أنه يمكن نقل مسكتي صعودا وهبوطاً بالتحرك عمودياً، حتى يتحقق ملامح السائل العامل درجة الحرارة والملوحة. هنا، قد مسكتي استقرار درجة حرارة الاستقرار 0.01 درجة مئوية والملوحة من 1%. وقد ن الدقة الموضعية من 0.005 مم.
6. تعيين المعلمات في البرامج المناظرة "المتعدد الرقمية" و "اكتساب البيانات متعددة الوظائف"، مثل معدلات أخذ العينات والبيانات اقتناء قنوات ومسارات التخزين. وهنا، تعيين معدلات أخذ العينات المتعدد الرقمية واكتساب البيانات متعددة الوظائف هرتز 1.0 و 128، على التوالي.
7. تعيين معلمات تتحرك في البرنامج ن، بما في ذلك الموقف المبدئي، أدنى وأعلى المناصب، نقل السرعة والتسارع، مسكتي. هنا، بسرعة وتسارع تتحرك ك 1 مم/s و 0.5 mm/s²، وتحديد مواقف أدنى وأعلى ك 20 و 220 ملم أعلاه أسفل لوحة. وهذا يؤدي إلى فترة زمنية من MPTS 404 ق القياس من أعلى إلى أسفل. تعيين موضع الأولية مسكتي في موقف أدنى.
8. الحفاظ على درجة حرارة الغرفة ثابتة تقريبا حوالي 24 درجة مئوية مع اثنين من مكيفات الهواء عالية الطاقة (قوة العمل 3000 W).

2-جهاز بصري

ملاحظة: أثناء التجربة، تطور الدرج DC سترصد مع تقنية شادووجراف، الذي هو الوفاء مع أدناه الإجراءات

1. إرفاق قطعة من الورق الشفاف (25.7 سم × 25.7 سم) على السطح الخارجي للخزان.
2. استخدام مصباح LED شعاع ضيق كمصدر الضوء. وضع مصدر الضوء حوالي 5 أمتار بعيداً عن الجانب الآخر من الدبابات، بحيث يمكن إنشاؤها على ضوء ما يقرب وتحديدالمنطقه. علما بأن الطبقات هيكل السوائل خلال التجربة بوحدة تحكم المجال DC مضاءة على الورق الشفاف بسبب تغير الكثافة (المقابلة لتغيير مؤشر الانكسار) من السوائل.
3. ضع كاميرا عالية السرعة على نفس الجانب من الورق الشفاف. أنها حوالي 1 متر من الخزان حتى أنه يمكن تسجيل هياكل الطبقات مع الدبابة كاملة الحجم.
4. تعيين معدل أخذ العينات من كاميرا الفيديو. علما أن معدل أخذ العينات ينبغي أن تكون مناسبة لالتقاط تفاصيل التطورات الدرج. هنا، هو أن معدل أخذ العينات من كاميرا الفيديو 25 هرتز.
5. تشغيل مصباح وكاميرا الفيديو، وتعديل طفيف الجرع والمسافات، لضمان أن مسح الصور يمكن التقاطها بواسطة كاميرا الفيديو.

3-العامل السائل

1. تعد المياه العذبة والمالحة في دبابتين.
   1. الانضمام دبابتين مستطيلة متطابقة (الدبابات A وخزان ب) بأنبوب مرن (10 سم في الطول، 6 في القطر الداخلي و 10 ملم في القطر الخارجي) من الجزء السفلي من كل واحد.
   2. يتم ملء خزان A مع المياه المالحة، وتركيزها الشامل للملح (أي، الملوحة) ز 60/كغ في هذا المثال.
   3. ملء الخزان ب مع تساوي حجم المياه العذبة دي المشككين، واستخدام محرض مغناطيسية كهربائية إلى مجانسة السائل بشكل مستمر.
   4. الحفاظ على درجة حرارة السوائل الأولية داخل الدبابات على حد سواء نفس درجة حرارة الغرفة (24 درجة مئوية).
2. إنشاء الطبقات الكثافة الخطية في خزان العامل.
   1. استخدام أسلوب مزدوج للدبابات²⁹ لتأسيس الطبقات خطية أولية من المياه المالحة في خزان العامل.
   2. ضع الدبابات A و B على نفس الارتفاع، وأعلى من خزان العامل 30 سم. الانضمام إلى خزان ب وخزان العامل مع أنبوب مرن آخر (50 سم في الطول، 2 مم في القطر الداخلي والخارجي قطرها 5 ملم) من تلك القيعان. نظراً لاختلاف ضغط السائل في هذه الدبابات اثنين، يمكن حقن السائل في خزان ب ببطء في خزان العامل.
   3. التحكم في سرعة تدفق مع مضخة تمعجية في مل 0.45/س. علما طوال الوقت لملء المياه لخزان العامل هو حساب الملوحة في الجزء السفلي من الخزان العامل استناداً إلى²⁹ حوالي 3 ﻫ.
      (1)
      أين هي S_Aوالخامس والخامس₀ ملوحة دبابات، حجم السائل النهائي للدبابة العامل وحجم السوائل الأولية بخزان (أو ب)، على التوالي. استخدام الملوحة في المياه العذبة في الجزء العلوي والسفلي S_ب ، تواتر الطفو الطبقية الأولى ن₀
      (2)
      حيث g تسارع الجاذبية، ρ₀ كثافة الإشارة وبيتا معامل انكماش الملوحة. علما ن₀ يحسب كراد/s 1.14 في هذا المثال.

4-تشغيل التجربة

1. تعيين شروط الحدود للدبابة العامل.
   1. قم بتوصيل دائرة المياه في أعلى لوحة مدوار مبردة مع الثمانية الموزعة بانتظام أنابيب لينة بلاستيكية (150 سم طول، 10 مم وقطرها الداخلي 15 ملم في القطر الخارجي). علما أن درجة حرارة أعلى لوحة يعتمد على درجة حرارة مدوار المبردة. تعيين درجة حرارة أعلى لوحة نفس درجة حرارة الغرفة (24 درجة مئوية).
   2. قم بتوصيل لوحة التدفئة الكهربائية داخل أسفل لوحة "الإمداد" التيار المباشر. ملاحظة تدفق حرارة ثابتة يتم توفيرها للسائل العامل خلال هذه التجربة، التي يتم حسابها
      (3)
      حيث U, R و A هي الجهد المتوفر، المقاومة الكهربائية وفعالة في مجال التدفئة الكهربائية لوح، على التوالي. في هذا المثال، يتم بالمقاومة ومنطقة فعالة أوم 44.12 و 1.89 × 10^-2 م². تعيين الجهد المتوفر كما 60 الخامس، حيث أن الحرارة مجموع الجريان و_ح 4317 ث/م².
2. قم بتشغيل كاميرا الفيديو لتسجيل نمط التدفق.
3. قم بتشغيل "المتعدد الرقمية"، الحصول على البيانات متعددة الوظائف لرصد درجة حرارة لوحات العلوي والسفلي، ودرجة الحرارة والملوحة من السوائل التي تستخدم في مسكتي.
4. قم بتشغيل MPTS لنقل مسكتي صعودا ونزولاً تحقيق ملامح السائل العامل درجة الحرارة والملوحة.
5. قم بتشغيل مدوار المبردة و "إمداد" التيار المباشر لتحقيق شروط الحدود العليا والسفلي من السائل العامل.
   ملاحظة: ملاحظة أن التجربة كلها سوف تجربة جيل، تطوير واندماجات، واختفاء الدرج DC، وأنها سوف تستمر حوالي 5 ساعات. بعد اختفاء كافة DC سلالم، قم بإيقاف تشغيل إمداد التيار المباشر مدوار المبردة و MPTS، مقياس رقمي متعدد، اقتناء البيانات متعددة الوظائف، وكاميرا الفيديو بدوره.

5-معالجة البيانات

1. صورة شادووجراف
   1. استخدام برنامج Matlab لتحويل الفيديو سجلتها كاميرا الفيديو إلى صور متتالية لمزيد من التحليل. تفصيل هذه الصور لإبراز نمط التدفق داخل الصهريج. تعيين كثافة الصورة الرقمية كما (x, z)، حيث (x, z) يدل على الإحداثيات الأفقية والعمودية مع الأصل في الركن الأيمن السفلي من الصورة. ملاحظة تختلف أنا (x, z) على (0، 1) مع مستوى رمادي من 256. تطبيع كل صورة بصورة أساسية ك³⁰
      (4)
      حيث هو كثافة الصورة متوسط أكثر من 10 صور قبل التبريد والتسخين المطبق، يدل على شدة طال صورة. وبهذه الطريقة، يمكن إزالة العيوب الثابتة في الصور. بغية دراسة تطور نمط DC الزمانية، يمكن تحويل كل صورة إلى ملف تعريف تقلب كثافة عمودية واحدة، ، عن طريق حساب تقلبات كثافة الصورة (أي، الجذر-يعني-ساحة لكثافة) على طول اتجاه أفقي . ارسم ملامح تقلب كثافة من الصور المتعاقبة جنبا إلى جنب مع زيادة الوقت إظهار تطورات سلالم DC.
2. التشكيلات الجانبية لدرجة الحرارة والملوحة
   1. ملاحظة في هذه التجربة لمحات الرأسي لدرجات الحرارة والملوحة من السوائل العمل تقاس مسكتي يتحرك من أعلى إلى أسفل. حساب ارتفاع الزمانية، h(t)، من مسكتي مع الوسط تتحرك w السرعة، الزمن t، وانطلاق الوقت t₀ (المقابلة لموقف أدنى)، ح موقف أدنى_ل وأعلى موقف ح_ح، كما
      (5)
      حيث مسكتي يتحرك فترة من أدنى موقف (أدنى) (أعلى) إلى أعلى، n و δ هي أجزاء لا يتجزأ وكسور، على التوالي. ثم حساب h(t) ارتفاع الزمانية
      (6)
      ملاحظة في المعادلة (6)، وإذا كان n حتى، مسكتي يسير؛ إلا مسكتي تتحرك لأسفل. ارسم الوقت سلسلة من درجات الحرارة T(t) والملوحة S(t) من حيث الارتفاع h(t) للحصول على ملفات التعريف العمودي درجة الحرارة والملوحة.

النتائج

ويبين الشكل 1 التخطيطي للإعداد التجريبية. يتم وصف مكوناته في البروتوكول. وتظهر الأجزاء الرئيسية في الشكل 1a وخزان العمل المفصل هو مبين في الشكل 1 باء. ويبين الشكل 2 التغيرات في درجات الحرارة في الأسفل (تي_ب، المنحنى الأحم?...

Discussion

في هذه الورقة هو وصف بروتوكول تجريبي مفصلة لمحاكاة هياكل الدرج DC المتأثر في خزان مستطيل. هي التي شيدت الطبقات كثافة خطي أولى للسائل العامل باستخدام الأسلوب الثاني للدبابات. يتم الاحتفاظ باللوحة العلوية في درجة حرارة ثابتة وواحدة أسفل في تدفق الحرارة المستمرة. عملية تطور كل من الدرج العاص?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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