Entwicklung der Treppe Strukturen in diffusiven Konvektion

Zusammenfassung

Diffusiven Konvektion (DC) tritt häufig in natürlichen Prozessen und technischen Anwendungen, zeichnet sich durch eine Reihe von Treppen mit homogenen convecting Schichten und geschichteten Schnittstellen. Ein experimentelles Verfahren wird beschrieben, der Evolutionsprozess der DC Treppe Struktur, einschließlich Erzeugung, Entwicklung und verschwinden in einem rechteckigen Tank zu simulieren.

Zusammenfassung

Diffusiven Konvektion (DC) tritt auf, wenn die vertikale geschichtete, Dichte wird durch zwei gegenüberliegende skalare Steigungen, die deutlich unterschiedliche Molekulare Diffusionsfähigkeit gesteuert, und die größeren und kleineren diffusivität skalare Steigungen haben negative und positive Beiträge für die Dichteverteilung bzw.. DC tritt in vielen natürlichen Prozessen und technischen Anwendungen, zum Beispiel, Ozeanographie, Astrophysik und Metallurgie. In den Ozeanen ist eines der bemerkenswertesten Features von DC, dass die Vertikalprofile von Temperatur und Salzgehalt Treppe-artige Struktur, bestehend aus aufeinanderfolgenden Schritten mit dicken homogenen convecting Schichten und relativ dünn und hoch-Gradient Schnittstellen. Die DC-Treppen in vielen Meeren, vor allem in der Arktis und Antarktis Ozeane eingehalten worden und spielen eine wichtige Rolle auf der Ozeanzirkulation und Klimawandel. In den Arktischen Ozean existieren Beckenweite und anhaltende DC Treppen in die oberen und tiefen Ozeanen. Der DC-Prozess hat einen wichtigen Einfluss auf diapyknischen Vermischung im oberen Ozean und die Oberfläche Eisschmelze erheblich beeinflussen kann. Im Vergleich zu Einschränkungen der Feldbeobachtung, zeigt Laborexperiment seine einzigartigen Vorteil, die dynamische und thermodynamische Prozesse in DC, effektiv zu prüfen da die Randbedingungen und die kontrollierte Parameter streng eingestellt werden können. Hier wird ein detailliertes Protokoll beschrieben, der Evolutionsprozess der DC Treppe Struktur, einschließlich seiner Generation, Entwicklung und verschwinden in einem rechteckigen Behälter gefüllt mit geschichteten salzhaltigem Wasser zu simulieren. Der Versuchsaufbau, Evolutionsprozess, Datenanalyse und Diskussion der Ergebnisse werden detailliert beschrieben.

Einleitung

Doppelte diffusiven Konvektion (DDC) ist eines der wichtigsten vertikalen mischprozesse. Es tritt auf, wenn die vertikalen Dichteverteilung der geschichteten Wassersäule von mindestens zwei skalaren Komponenten Gradienten entgegengesetzten Richtungen gesteuert wird wo die Komponenten deutlich unterschiedliche Molekulare Diffusionsfähigkeit¹haben. Es tritt allgemein in Ozeanographie², die Atmosphäre³, Geologie⁴, Astrophysik⁵, materielle Wissenschaft⁶, Metallurgie⁷und architektonischen engineering⁸. DDC ist in fast der Hälfte des globalen Ozeans, und es hat wichtige Auswirkungen auf die ozeanischen Multi-Skalen-Prozesse und sogar klimatische Veränderungen⁹.

Es gibt zwei primäre Modi für DDC: Salz Finger (SF) und diffusiven Konvektion (DC). SF tritt auf, wenn eine warme, salzige Wasser Masse liegt Kühler, frischer Wasser in der geschichteten Umgebung. Wenn die warme und salzigen Wasser unter der kalten und frisches Wasser liegt, bilden die DC. Die bemerkenswerte Eigenschaft des DC ist, dass die Vertikalprofile von Temperatur, Salzgehalt und Dichte Treppe-Like, komponiert von Alternant homogene Schichten und dünne, stark stratifizierten Schnittstellen Konvektion. DC tritt vor allem in hohen Breitengraden Ozeanen und einige innere Salzseen, wie der Arktis und Antarktis Ozean, dem Ochotskischen Meer, das Rote Meer und afrikanischen Kivu-See¹⁰. In den Arktischen Ozean existieren Beckenweite und anhaltende DC Treppen in die oberen und tiefen Ozean^11,12. Es hat einen wichtigen Einfluss auf diapyknischen im oberen Ozean mischen und das Eis-schmelzen, das vor kurzem immer mehr Interesse in der Ozeanographie Gemeinschaft^{13 weckt}erheblich beeinflussen kann.

Die DC-Treppe-Struktur wurde im Nordpolarmeer im 1969¹⁴entdeckt. Nach diesem, Padman & Dillon¹⁵Timmermans Et Al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie Et Al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸und Shibley Et Al. ¹⁹ gemessen DC Treppen in verschiedenen Becken des Arktischen Ozeans, einschließlich die vertikale und horizontale Skalen der convecting Schicht und Schnittstelle, die Tiefe und die Gesamtdicke des Treppenhauses, die vertikale Wärmeübertragung, die DC-Prozesse in Mesoskalige Eddy und die zeitlichen und räumlichen Änderungen der Treppe Strukturen. Schmid Et Al. ²⁰ und Sommer Et al. ²¹ beobachtet die DC-Treppen mit einer Mikrostruktur Profiler im Kivu-See. Sie berichteten die Hauptstruktur Features und Wärmestromes von DC und im Vergleich der gemessenen Wärmestromes mit der bestehenden parametrischen Formel. Mit Computer Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern die numerischen Simulationen von DC habe vor kurzem gemacht, beispielsweise, um die Schnittstelle zu untersuchen Struktur und Instabilität, Wärmeübertragung über Schnittstelle Schicht verschmelzenden Ereignis, und so weiter^{22, 23 , 24}.

Gebiet Beobachtung wurde stark verbessert das Verständnis des Ozeans DC für Ozeanographen, aber die Messung wird durch unbestimmte ozeanischen Fluss Umgebungen und Instrumente stark begrenzt. Beispielsweise die DC-Schnittstelle hat eine extrem kleine vertikale Skala dünner als 0,1 m in einigen Seen und Ozeanen²⁵, und einige hochauflösende Spezialinstrumente benötigt. Die Labor-Experiment zeigt seine einzigartige Vorteile in der Erforschung der dynamische und thermodynamische Grundgesetze der DC. Mit einem Laborexperiment kann man beobachten die Entwicklung der DC-Treppe, messen die Temperatur und Salzgehalt und schlagen einige Parametrisierungen der ozeanischen Anwendungen^26,27. Darüber hinaus in einem Laborexperiment die kontrollierten Parameter und Bedingungen sind leicht angepasst nach Bedarf. Z. B. Turner zunächst simuliert die DC-Treppe im Labor im Jahr 1965 und schlug eine Hitze-Transfer-Parametrierung über die diffusive Schnittstelle, die häufig aktualisiert und weitgehend verwendet in der in Situ ozeanischen Beobachtungen²⁸ .

In diesem Papier wird ein detailliertes Protokoll der experimentellen beschrieben der Evolutionsprozess der DC Treppe, einschließlich Erzeugung, Entwicklung und verschwinden, in geschichteten salzhaltigem Wasser von unten beheizt zu simulieren. Die Temperatur und der Salzgehalt gemessen ein Mikromaßstab Instrument sowie die DC-Treppen mit der schattenabbildung Technik überwacht wird. Der Versuchsaufbau, Evolutionsprozess, Datenanalyse und Diskussion der Ergebnisse werden detailliert beschrieben. Durch die Veränderung der Anfangs- und Randbedingungen, die vorliegenden experimentellen Aufbau und Methode lässt sich simulieren, andere ozeanische Phänomene, wie die ozeanischen horizontale Konvektion, Tiefsee hydrothermalen Eruptionen, gemischte Oberflächenschicht Vertiefung, die Wirkung von u-Boot Geothermie auf Ozeanzirkulation und So weiter.

Protokoll

1. arbeiten Tank

Hinweis: Das Experiment ist in einem rechteckigen Behälter durchgeführt. Der Tank umfasst oberen und unteren Platten und einer Seitenwand. Die oberen und unteren Platten bestehen aus Kupfer mit galvanischen Oberflächen. Es gibt eine wasserkammer innerhalb der oberen Platte. Ein elektrisches Heizkissen ist in die Bodenplatte eingelegt. Die Seitenwand besteht aus transparentem Plexiglas. Die Tankgröße ist L_X = 257 mm (Länge), L_y = 65 mm (Breite) und L_Z = 257 mm (Höhe). Die Stärke der Seitenwand ist 9,5 mm.

1. Reinigen Sie die Kupferplatten und Plexiglas Seitenwand sorgfältig mit destilliertem Wasser.
2. Montieren Sie den Tank mit Schrauben um sicherzustellen, dass der Tank dicht ist.
3. Ein Edelstahl-Tragrahmen (Höhe 150 mm) auf einer optischen Tisch richten Sie ein und reparieren Sie den Tank oberhalb des Rahmens mit einer wärmeisolierenden Platte dazwischen, wodurch die Wärmeverluste aus den Arbeitsbehälter zur Tabelle eingeschränkt.
4. Legen Sie drei thermistoren (Temperaturstabilität von 0,01 ° C) in jeder Platte und verbinden Sie sie mit einem digitalen Multimeter. Beachten Sie, dass diese Thermistoren verwendet werden, um die Temperaturen der oberen und unteren Platten zu überwachen.
5. Legen Sie eine Mikromaßstab Leitfähigkeit und Temperatur Instrument (STUDIENVERLÄNGERUNG) im Inneren des Tanks und verbinden Sie es zu einem Multifunktions-Daten Akquisition (MDA). STUDIENVERLÄNGERUNG zu einem motorisierten präzise Übersetzung Stadium (MPT) zu beheben.
   Hinweis: Beachten Sie, dass der STUDIENVERLÄNGERUNG rauf und runter durch die vertikal bewegen, bewegt werden kann, so dass die Temperatur und den Salzgehalt Profile des Arbeitsmediums erzielt werden. Hier hat der STUDIENVERLÄNGERUNG Temperaturstabilität von 0,01 ° C und Salzgehalt Stabilität von 1 %. Der MPT hat Positionsgenauigkeit von 0,005 mm.
6. Legen Sie die Parameter in entsprechende Software-Programme von der Digital-Multimeter und Multifunktions-Datenerfassung, wie Sampling-Raten, Erwerb Datenkanäle und Lagerung Pfade. Hier, setzen Sie die Sampling-Raten von der digital-Multimeter und Multifunktions-Datenerfassung als 1.0 und 128 Hz, beziehungsweise.
7. Stellen Sie die beweglichen Parameter in das Software-Programm von der MPT, einschließlich die ursprüngliche Position, die niedrigsten und höchsten Positionen, Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung, von der STUDIENVERLÄNGERUNG ein. Hier legen Sie die beweglichen Geschwindigkeit und Beschleunigung als 1 mm/s bis 0,5 mm/s², und die niedrigsten und höchsten Positionen als 20 und 220 mm über der Bodenplatte. Dies führt zu einen Zeitraum von MPTS 404 s für eine auf-ab-Messung. Die Anfangsposition der STUDIENVERLÄNGERUNG auf der niedrigsten Position gesetzt.
8. Halten Sie die Raumtemperatur nahezu konstant ca. 24 ° C mit zwei Hochleistungs-Klimaanlagen (Kraft von 3000 W).

2. optische Apparate

Hinweis: Während des Versuchs, die Entwicklung der DC Treppe würde überwacht werden mit der schattenabbildung-Technik mit erfüllt die folgenden Verfahren

1. Befestigen Sie ein Stück Transparentpapier (25,7 x 25,7 cm) an der Außenseite des Tanks.
2. Verwenden Sie eine schmalen Strahl-LED-Lampe als Lichtquelle. Legen Sie die Lichtquelle ca. 5 m Weg von der anderen Seite des Tanks, so dass ein fast kollimierten Licht erzeugt werden kann. Hinweis, die während des Versuchs der DC Fluid Struktur geschichtet ist wegen der Dichteänderung (entsprechend der Änderung des Brechungsindex) der Flüssigkeit auf dem Transparentpapier beleuchtet.
3. Legen Sie einen High-Speed-Camcorder auf der gleichen Seite das Pauspapier. Es ist ca. 1 m vom Tank, so dass die geschichteten Strukturen mit dem Full-Size-Tank aufgezeichnet werden können.
4. Legen Sie die Sampling-Rate des Camcorders. Beachten Sie, dass die Sampling-Rate, die die Details der Treppe Entwicklungen zu erfassen sein sollte. Hier ist die Sampling-Rate des Camcorders 25 Hz.
5. Schalten Sie die Lampe und Camcorder, und ihre Tränke und Entfernungen leicht anzupassen, um sicherzustellen, dass klar, dass Bilder von der Camcorder erfasst werden kann.

(3) Arbeitsfluid

1. Bereiten Sie die Kochsalzlösung und frisches Wasser in zwei Tanks.
   1. Zwei identische rechteckige Tanks (Tank A und Tank B) durch einen flexiblen Schlauch (10 cm lang, innen-ø 6 mm und 10 mm Außendurchmesser) von der Unterseite eines jeden beitreten.
   2. Füllung Tank A mit salzhaltigem Wasser, seine Konzentration von Salz (z. B. Salinität) beträgt 60 g/kg in diesem Beispiel.
   3. Füllen Sie den Tank B mit ein gleiches Volumen de vergast frisches Wasser, und verwenden Sie eine elektrische Magnetrührer, um kontinuierlich die Flüssigkeit zu homogenisieren.
   4. Halten Sie der ersten fluidtemperatur in beiden Tanks dasselbe wie die Raumtemperatur (24 ° C).
2. Lineare Dichte Schichtung in den Arbeitsbehälter zu etablieren.
   1. Verwenden Sie die Doppel-Tank Methode²⁹ , um eine anfängliche lineare Schichtung des Salzwassers in den Arbeitsbehälter herzustellen.
   2. Legen Sie auf gleicher Höhe, die 30 cm höher als der Arbeitsbehälter Tank A und B. Begleiten Sie Tank B und den Arbeitsbehälter mit einem anderen Schlauch (50 cm lang, 2 mm Innendurchmesser und 5 mm Außendurchmesser) von ihrer Böden. Aufgrund der Flüssigkeitsdruck Unterschied in diesen beiden Becken kann die Flüssigkeit im Tank B langsam in den Arbeitsbehälter injiziert werden.
   3. Kontrolle der Fließgeschwindigkeit mit einer peristaltischen Pumpe bei 0,45 mL/s. Hinweis die ganze Zeit Wasser-Füllung für den Arbeitsbehälter ist etwa 3 h berechnen der Salzgehalt am unteren Rand der Arbeitsbehälter auf^{29 basiert} .
      (1)
      wo S_A, V und V₀ sind Salzgehalt des Tank A, Fluid Endvolumen von den Arbeitsbehälter und das anfängliche fluidvolumen von Tank A (oder B), beziehungsweise. Mit Hilfe des Salzgehalts an der Unterseite S_B und das frische Wasser an der Spitze, ist die Auftrieb Frequenz des ersten Schichtung N₀
      (2)
      wo g ist die Erdbeschleunigung, ρ₀ ist bezugsdichte und β ist Salzgehalt Kontraktion Koeffizienten. Hinweis die N₀ wird als 1.14 rad/s in diesem Beispiel berechnet.

4. Durchführung des Experiments

1. Legen Sie die Randbedingungen für die Arbeitsbehälter.
   1. Schließen Sie die wasserkammer der oberen Platte an einen gekühlten Thermostaten mit acht gleichmäßig verteilte weiche Plastikröhrchen (150 cm lang, 10 mm Innendurchmesser und 15 mm Außendurchmesser). Beachten Sie, dass die Temperatur der oberen Platte hängt von der Temperatur des gekühlten Thermostaten. Stellen Sie die Temperatur der oberen Platte, die Raumtemperatur (24 ° C) identisch sein.
   2. Verbinden Sie das elektrische Heizkissen in der Bodenplatte ein Gleichstrom-Versorgung. Hinweis ein ständiger Wärmestrom ist das Arbeitsfluid während dieses Experiments versehen, die als berechnet wird
      (3)
      wo U, R und A die Versorgungsspannung, pad elektrischer Widerstand und Nutzfläche von Elektroheizung, beziehungsweise. In diesem Beispiel sind der Widerstand und die effektive Fläche 44,12 Ohm und 1,89 × 10^-2 m². Stellen Sie die gelieferte Spannung wie 60 V, so dass die gesamte Wärme flux F_h 4317 W/m².
2. Schalten Sie den Camcorder, den Strömungsverlauf aufzuzeichnen.
3. Schalten Sie den Digital-Multimeter, Multifunktions-Datenerfassung, die Temperatur der oberen und unteren Platten und der Temperatur und der Salzgehalt der Flüssigkeit mit der STUDIENVERLÄNGERUNG zu überwachen.
4. Schalten Sie MPTS Umzug der STUDIENVERLÄNGERUNG rauf und runter, die Temperatur und den Salzgehalt Profile des Arbeitsmittels zu erreichen.
5. Aktivieren Sie gekühlte Thermostaten und der Gleichstrom-Versorgung, die oberen und unteren Randbedingungen des Arbeitsmittels zu erreichen.
   Hinweis: Beachten Sie, dass das ganze Experiment Erzeugung, Entwicklung, Verschmelzung und verschwinden von der DC-Treppe erleben, und es dauert ca. 5 Stunden. Schalten Sie nach dem Verschwinden von allen DC-Treppen die Gleichstrom-Versorgung, Kühlschrank Thermostat, MPTS, Digital-Multimeter, Multifunktions-Datenerfassung und Camcorder wiederum.

5. Datenverarbeitung

1. Schattenabbildung Bild
   1. Verwenden Sie eine Matlab-Programm, um die Videoaufnahme der Camcorder die nachfolgenden Bilder zur weiteren Analyse zu konvertieren. Passen Sie diese Bilder um die Strömungsmuster in den Tank zu akzentuieren. Stellen Sie die Intensität des digitalen Bildes als ich (x, Z), wo (X, Z) bezeichnet die horizontalen und vertikalen Koordinaten mit dem Ursprung in der linken unteren Ecke des Bildes. Beachten Sie, I (X, Z) verändert sich im Laufe (0, 1) mit 256 Graustufen. Jedes Bild durch ein Hintergrundbild als³⁰ zu normalisieren
      (4)
      wo ist die durchschnittliche Bildintensität über 10 Aufnahmen vor der Kühlung und Heizung angewandt werden, bezeichnet die Intensität des ith Bild. Auf diese Weise können die stationäre Mängel in den Bildern entfernt werden. Um die zeitliche Entwicklung des DC Muster zu untersuchen, kann jedes Bild mit einem einzigen vertikalen Intensität Fluktuation Profil umgewandelt werden , durch die Berechnung der Bild Intensität Fluktuation (d.h., Root-Mean-Square Intensität) entlang der horizontaler Richtung . Plot der Intensität Fluktuation profile der aufeinander folgenden Bilder zusammen mit zunehmender Zeit die Entwicklungen des DC-Treppen zeigen.
2. Temperatur und Salzgehalt profile
   1. Hinweis: in diesem Experiment die Vertikalprofile von Temperatur und Salzgehalt des Arbeitsmediums sind durch die oben-unten bewegte STUDIENVERLÄNGERUNG gemessen. Berechnung der zeitlichen Höhe h(t) der STUDIENVERLÄNGERUNG mit dem Mittelwert bewegte Geschwindigkeit w, Zeit t, die ab Zeit t₀ (entspricht der niedrigsten Position), die niedrigste Position h_L und höchste Stellung h_H, als
      (5)
      wo der STUDIENVERLÄNGERUNG bewegt Periode von tiefststellung (höchste) bis zur höchsten (niedrigste), n und δ sind integraler und gebrochene Teile, beziehungsweise. Berechnen Sie dann die zeitliche Höhe h(t) als
      (6)
      Hinweis in Gleichung (6), wenn n gerade ist, ist der STUDIENVERLÄNGERUNG hinauf bewegen; Ansonsten ist der STUDIENVERLÄNGERUNG nach unten bewegen. Handlung der Serie Temperatur T(t) und Salzgehalt S(t) in Bezug auf die Höhe h(t) der Vertikalprofile von Temperatur und Salzgehalt zu.

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung der Versuchsanordnung. Seine Komponenten sind im Protokoll beschrieben. Die wichtigsten Teile sind in Figur 1a und detaillierte Arbeitsbehälter ist in Abbildung 1 bangezeigt. Abbildung 2 zeigt die Temperaturschwankungen an der Unterseite (T_b, die rote Kurve) und Top (T_t, die schwarze Kurve) Platten. Es wird angegeben, dass die Tempera...

Diskussion

In diesem Papier wird ein detailliertes Protokoll der experimentellen beschrieben, um die Thermohaline DC Treppe Strukturen in einem rechteckigen Tank zu simulieren. Eine lineare anfangsdichte Schichtung Arbeitsfluid ist aufgebaut mit der zwei-Tank-Methode. Die obere Platte wird auf eine Konstante Temperatur und die untere bei konstanten Wärmestrom gehalten. Der gesamte Evolutionsprozess der DC Treppe, einschließlich seiner Generation, Entwicklung, Verschmelzung und verschwinden, werden mit der schattenabbildung Techni...

Materialien

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