Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de NSF chino (41706033, 91752108 y 41476167), subvenciones Grangdong NSF (2017A030313242 y 2016A030311042) y LTO grant (LTOZZ1801).

1. trabajo de tanque
Nota: El experimento se lleva a cabo en un tanque rectangular. El depósito incluye las placas superior e inferior y una pared lateral. Las placas superior e inferior están hechas de cobre con superficie galvanizado. Hay una cámara de agua dentro de la placa superior. Una almohadilla de calefacción eléctrica se inserta en la placa inferior. La pared lateral está fabricada en plexiglás transparente. El tamaño del tanque es Lx = 257 mm (longitud),y = 65 mm (ancho) y Lz = 257 mm (altura). El espesor de la pared lateral es de 9,5 mm.
<ol><li>Limpie las placas de cobre y la pared de plexiglás cuidadosamente con agua destilada.</li>
	<li>Ensamble del tanque con tornillos para asegurar que el depósito es a prueba de agua.</li>
	<li>Establecer un marco apoyo de acero inoxidable (altura de 150 mm) sobre una mesa óptica y fijar el tanque por arriba de la estructura con un aislante losa, que limita la salida de calor del tanque de trabajo a la mesa.</li>
	<li>Inserte tres termistores (estabilidad de temperatura de 0,01 ° C) en cada placa y unirlos con un multímetro digital. Tenga en cuenta que estos termistores se utilizan para monitorear las temperaturas de las placas superior e inferior.</li>
	<li>Coloque una Micro escala de conductividad y temperatura instrumento (MSCTI) dentro del tanque y conectarlo a una adquisición de datos multifunción (MDA). Fijar la MSCTI a una etapa de traducción precisión motorizada (MPTS). : Nota que la MSCTI se puede mover hacia arriba y hacia abajo por el movimiento vertical, por lo que se obtienen los perfiles de temperatura y salinidad del fluido de trabajo. Aquí, el MSCTI tiene estabilidad de temperatura de estabilidad 0.01 ° C y salinidad de 1%. El MPTS tiene exactitud posicional de 0.005 milímetros.</li>
	<li>Configure los parámetros en los correspondientes programas de software del Multímetro Digital y la adquisición de datos multifunción, tales como tasas de muestreo, canales de adquisición de datos y rutas de almacenamiento. Aquí, establecer las tasas de muestreo del multímetro digital y la adquisición de datos multifunción como 1.0 y 128 Hz, respectivamente.</li>
	<li>Configurar los parámetros de movimiento en el programa de software de las MPTS, incluyendo la posición inicial, las posiciones mínima y más, moviendo la velocidad y la aceleración de la MSCTI. Aquí, defina la velocidad de movimiento y aceleración como 1 mm/s y 0.5 mm/s2y las posiciones mínima y más como 20 y 220 mm sobre la placa inferior. Esto conduce a un período de tiempo de las MPTS de 404 s para una medición de arriba-abajo. Establecer la posición inicial de la MSCTI en la posición más baja.</li>
	<li>Mantener la temperatura casi constante alrededor de 24 ° C con dos Aires acondicionados alta potencia (energía de trabajo de 3000 W).</li>
</ol>2. óptica aparato
Nota: Durante el experimento, la evolución de la escalera de DC controlarse con la técnica de shadowgraph, que se ha cumplido con los procedimientos siguientes
<ol><li>Coloque un pedazo de papel de calco (25,7 cm x 25,7 cm) en el exterior del tanque.</li>
	<li>Utilice una lámpara de haz estrecho como la fuente de luz. Coloque la fuente de luz cerca de 5 m lejos del otro lado del tanque, por lo que se puede generar una luz casi blanca y colimada. Tenga en cuenta que durante el experimento el DC fluido estructura en capas está iluminada en el papel debido al cambio de densidad (correspondiente al cambio de índice de refracción) del fluido.</li>
	<li>Colocar una videocámara de alta velocidad en el mismo lado del papel. Es cerca de 1 m de distancia del tanque para que las estructuras de capas con el depósito del mismo tamaño pueden grabarse.</li>
	<li>Establecer la frecuencia de muestreo de la cámara. Tenga en cuenta que la frecuencia de muestreo debe ser adecuada capturar el detalle de las evoluciones de la escalera. Aquí, la frecuencia de muestreo de la videocámara es 25 Hz.</li>
	<li>Encienda la lámpara y la videocámara y ajustar un poco sus pociones y distancias asegurar imágenes claras y que puede ser capturada por la videocámara.</li>
</ol>3. fluido de trabajo
<ol><li>Preparar las aguas salinas y frescas en dos tanques.<ol>
<li>Únete a dos tanques rectangulares idénticos (tanque A y tanque B) por un tubo flexible (a 10 cm de longitud, 6 mm de diámetro interno y 10 mm de diámetro exterior) de la parte inferior de cada uno.</li>
		<li>Llenar tanque A con agua salada, su concentración en masa de sal (es decir, salinidad) es de 60 g/kg en este ejemplo.</li>
		<li>Llene el tanque B con un volumen igual de agua dulce de gaseados y utilice un agitador magnético eléctrico continuamente homogeneizar el líquido.</li>
		<li>Mantenga la temperatura inicial del fluido en ambos tanques igual a la temperatura ambiente (24 ° C).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Establecer la estratificación de la densidad lineal en el tanque de trabajo.<ol>
<li>Utilice el método de doble tanque29 para establecer una estratificación inicial lineal del agua salina en el tanque de trabajo.</li>
		<li>Coloque el tanque A y B a la misma altura, que es 30 cm más alto que el tanque de trabajo. Únete a tanque B y el tanque de trabajo con otro tubo flexible (a 50 cm de longitud, 2 mm de diámetro interno y 5 mm de diámetro exterior) de sus fondos. Debido a la diferencia de presión de fluido en estos dos tanques, el líquido en el tanque B se puede inyectar lentamente dentro del tanque de trabajo.</li>
		<li>Controlar la velocidad de flujo con una bomba peristáltica en 0,45 mL/s. Nota todo el tiempo de llenado de agua para el tanque de trabajo es aproximadamente 3 h. calcular la salinidad en la parte inferior del tanque de trabajo basada en29 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq1.jpg">(1) donde SA, V y V0 son salinidad del tanque A, el volumen final del fluido del tanque de trabajo y el volumen inicial de líquido del tanque A (o B), respectivamente. Con la salinidad en la parte inferior SB y el agua dulce en la parte superior, es la frecuencia de la flotabilidad de estratificación inicial N0 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq2.jpg">(2) donde g es la aceleración de la gravedad, ρ0 es la densidad de referencia, y β es el coeficiente de contracción de salinidad. Nota N0 se calcula como 1.14 rad/s en este ejemplo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. ejecución del experimento
<ol><li>Establecer las condiciones de contorno para el tanque de trabajo.<ol>
<li>Conecte la cámara de agua de la placa superior un circulador refrigerado con ocho tubos suaves plástico uniformemente distribuidos (150 cm de longitud, 10 mm de diámetro interior y 15 mm de diámetro exterior). Tenga en cuenta que la temperatura de la placa superior depende de la temperatura del circulador refrigerado. Ajuste la temperatura de la placa superior para ser igual a la temperatura ambiente (24 ° C).</li>
		<li>Conecte la almohada eléctrica dentro de la placa de fondo a una fuente de corriente directa. Nota un flujo de calor constante se suministra al fluido de trabajo durante este experimento, que se calcula como <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq3.jpg">(3) donde U, R y A la tensión suministrada, resistencia eléctrica y área eficaz de la calefacción eléctrica almohadilla, respectivamente. En este ejemplo, la resistencia y el área eficaz son ohmios 44,12 y 1.89 × 10-2 m2. Ajustar la tensión suministrada, de 60 V, para que el calor total del flujo Fh es 4317 W/m2.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Encienda la videocámara para grabar el patrón de flujo.</li>
	<li>Encienda el Multímetro Digital, adquisición de datos multifunción para controlar la temperatura de las placas superior e inferior y la temperatura y la salinidad del fluido usando el MSCTI.</li>
	<li>Encienda el MPTS para mover el MSCTI arriba y abajo para lograr los perfiles de temperatura y salinidad del fluido de trabajo.</li>
	<li>Encienda el circulador refrigerado y la fuente de corriente directa para lograr las condiciones de límite superior e inferior del fluido de trabajo. Nota: Recuerde que el experimento entero experimentará la generación, desarrollo, mergence y desaparición de la escalera de la DC, y durará unas 5 horas. Después de la desaparición de todo escaleras DC, apague la fuente de corriente directa, circulador refrigerado, MPTS, Multímetro Digital, adquisición de datos multifunción y videocámara a su vez.</li>
</ol>5. procesamiento de datos
<ol><li>Imagen de Shadowgraph<ol>
<li>Utilizar un programa de Matlab para convertir el video grabado por la cámara a las imágenes sucesivas para su posterior análisis. Adaptar estas imágenes para acentuar el patrón de flujo dentro del tanque. Ajustar la intensidad de la imagen digital como (x, z), donde (x, z) denota las coordenadas horizontales y vertical con el origen en la esquina inferior izquierda de la imagen. Tenga en cuenta que (x, z) varía en (0, 1) con nivel de gris de 256. Normalizar cada imagen por una imagen de fondo30 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq4.jpg">(4) donde <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq5.jpg"> es la intensidad de la imagen promedio sobre 10 imágenes tomadas antes de la refrigeración y calefacción se aplica, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq6.jpg"> denota la intensidad de la primera imagen deth . De esta manera, pueden eliminarse los defectos fijos en las imágenes. Para examinar la evolución temporal del modelo DC, cada imagen se puede convertir en un perfil de la fluctuación de intensidad vertical solo, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, mediante el cálculo de la fluctuación de intensidad de imagen (es decir, raíz cuadrada media de intensidad) a lo largo de la dirección horizontal <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>. Trazar los perfiles de la fluctuación de intensidad <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> de las imágenes sucesivas junto con aumentar el tiempo de mostrar las evoluciones de las escaleras de la DC.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Perfiles de temperatura y salinidad<ol>
<li>Nota: en este experimento los perfiles verticales de temperatura y salinidad del fluido de trabajo se miden por la MSCTI de movimiento arriba-abajo. Calcular la altura temporal, sistema de la MSCTI con la media móvil velocidad w, tiempo t, la partida tiempo t0 (correspondiente a la posición más baja), la más baja posición hL y más alta la posición hH, como <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq8.jpg">(5) donde <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq9.jpg"> es el MSCTI pasar período de posición (más bajo) (más alto) a más alta más baja, n y δ son parte integral y fraccionario, respectivamente. Entonces calcular el sistema de altura temporal como <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq10.jpg">(6) Nota en la ecuación (6), si n es par, el MSCTI está en movimiento de lo contrario la MSCTI va hacia abajo. Parcela la temperatura de la serie de tiempo T(t) y la salinidad s (t) en términos de altura sistema para obtener los perfiles verticales de temperatura y salinidad.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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T., Neshyba, S., Denner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+stratification+in+the+Arctic+Ocean.">Thermal stratification in the Arctic Ocean.</a> Science. 166 (3903), 373-374 (1969).</li><li>Padman, L., Dillon, T. 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Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+experiments+on+diffusive+convection+layer+thickness+and+its+oceanographic+implications.">Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).</li><li>Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+parametrization+for+heat+transport+through+diffusive+convection+interface.">New parametrization for heat transport through diffusive convection interface.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).</li><li>Turner, J. 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Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Rectangular tank</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Electric heating pad</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Distilled water</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Optical table</td><td>Liansheng Inc.</td><td>MRT-P/B</td><td></td></tr><tr><td>Thermiostors</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Digital multimeter</td><td>Keithley Inc</td><td>Model 2700</td><td></td></tr><tr><td>Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI)</td><td>PME. Inc.</td><td>Model 125</td><td></td></tr><tr><td>Multifunction data acquisition (MDA)</td><td>MCC. Inc.</td><td>USB-2048</td><td></td></tr><tr><td>Motorized precision translation stage (MPTS)</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LTS300</td><td></td></tr><tr><td>Tracing paper</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>LED lamp</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Camcorder</td><td>Sony Inc.</td><td>XDR-XR550</td><td></td></tr><tr><td>De-gassed fresh water</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Saline water</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Flexible tube</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Electric magnetic stirrer&amp;nbsp;</td><td>Meiyingpu Inc.</td><td>MYP2011-100</td><td></td></tr><tr><td>Peristaltic pump</td><td>Zhisun Inc.</td><td>DDBT-201</td><td></td></tr><tr><td>Refrigerated circulator</td><td>Polyscience Inc.</td><td>Model 9702</td><td></td></tr><tr><td>Plastic soft tube</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Direct-current power supply</td><td>GE Inc.</td><td>GPS-3030</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks Inc.</td><td>R2012a</td><td></td></tr></tbody></table>

evolution of staircase structures in diffusive convection

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.

La figura 1 muestra el esquema de la instalación experimental. Sus componentes se describen en el protocolo. Las partes principales se muestran en la Figura 1a y el tanque de trabajo detallado se muestra en la Figura 1b. La figura 2 muestra los cambios de temperatura en la parte inferior (Tb, la curva roja) y las placas de la parte superior (Tt, la curva negra). Se indica que la t...

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Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

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.

Evolución de las estructuras de la escalera en convección difusión

Diffusive convection (DC) occurs when the vertical stratified density is controlled by two opposing scalar gradients that have distinctly different ...

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Research

JoVE Journal

Environment

6.4K vistas.  Chinese Academy of Sciences. 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.

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Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed that, under the proper conditions, ice can be produced when water is introduced to a bath of cold brine. To make ice form, in addition to having the brine and water mix, the rate of heat transfer must bypass that of mass transfer. When water is introduced in the form of tiny droplets to the brine surface, the mode of heat and mass transfer is by diffusion. The buoyancy stops water from mixing with the brine underneath, but as the ice grows thicker, it slows down the rate of heat transfer, making ice more difficult to grow as a result. When water is introduced inside the brine in the form of a flow, a number of factors are found to influence how much ice can form. Brine temperature and concentration, which are the driving forces of heat and mass transfer, respectively, can affect the water-to-ice conversion ratio; lower bath temperatures and brine concentrations encourage more ice to form. The flow rheology, which can directly affect both the heat and mass transfer coefficients, is also a key factor. In addition, the flow rheology changes the area of contact of the flow with the bulk fluid.

Here, we present a protocol to demonstrate the generation of ice when water is introduced to a cold bath of brine, as a secondary refrigerant, at a range of temperatures well below the freezing point of water. It can be used as an alternative way of producing ice for industry.

Generación de hielo y la transferencia de calor y masa fenómenos de introducción de agua a un baño de agua fría de salmuera

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

Investigación

Ingeniería

Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and tortuosity). Secondary flow structures are vortical flow patterns that occur in curved arteries due to the combined action of centrifugal forces, adverse pressure gradients and inflow characteristics. Such flow morphologies are greatly affected by pulsatility and multiple harmonics of physiological inflow conditions and vary greatly in size-strength-shape characteristics compared to non-physiological (steady and oscillatory) flows 1 - 7.
Secondary flow structures may ultimately influence the wall shear stress and exposure time of blood-borne particles toward progression of atherosclerosis, restenosis, sensitization of platelets and thrombosis 4 - 6, 8 - 13. Therefore, the ability to detect and characterize these structures under laboratory-controlled conditions is precursor to further clinical investigations.
A common surgical treatment to atherosclerosis is stent implantation, to open up stenosed arteries for unobstructed blood flow. But the concomitant flow perturbations due to stent installations result in multi-scale secondary flow morphologies 4 - 6. Progressively higher order complexities such as asymmetry and loss in coherence can be induced by ensuing stent failures vis-&#224;-vis those under unperturbed flows 5. These stent failures have been classified as &#34;Types I-to-IV&#34; based on failure considerations and clinical severity 14.
This study presents a protocol for the experimental investigation of the complex secondary flow structures due to complete transverse stent fracture and linear displacement of fractured parts (&#34;Type IV&#34;) in a curved artery model. The experimental method involves the implementation of particle image velocimetry (2C-2D PIV) techniques with an archetypal carotid artery inflow waveform, a refractive index matched blood-analog working fluid for phase-averaged measurements 15 - 18. Quantitative identification of secondary flow structures was achieved using concepts of flow physics, critical point theory and a novel wavelet transform algorithm applied to experimental PIV data 5, 6, 19 - 26.

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to "Type IV" failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant "Type IV" stent failures.

Investigación experimental de estructuras secundarias de flujo aguas abajo de una Falla Modelo Tipo IV stent en una sección de prueba 180 ° de la arteria curvada

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and ...

Bioingeniería

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of first injecting fluorescent dye directly into a pipe filled with distilled water and allowing it to diffuse across the cross-section of the pipe to obtain a uniformly distributed initial condition. Following this period, the laminar flow is activated with a programmable syringe pump to observe the competition of advection and diffusion of the tracer through the pipe. Asymmetries in the tracer distribution are studied and correlations between the pipe cross-section and the shape of the distribution is shown: thin channels (aspect ratio &#60;&#60; 1) produce tracers arriving with sharp fronts and tapering tails (front-loaded distributions), while thick channels (aspect ratio ~1) present the opposite behavior (back-loaded distributions). The experimental procedure is applied to capillary tubes of various geometries and is particularly relevant to microfluidic applications by dynamical similarity.

A protocol for the study of the diffusion of passive tracers in laminar pressure-driven flow is presented. The procedure is applicable to various capillary pipe geometries.

La difusión de marcadores pasivos en el flujo Laminar del esquileo

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

Simulación de chimeneas hidrotermales de la Tierra Primitiva en un entorno de gradiente térmico

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Medio ambiente

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Escalable de sello de impresión y fabricación de superficies de Hemiwicking

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary convection in an annular liquid pool is one of the 19 scientific experimental projects on the SJ-10 recoverable satellite. Presented is a design for a payload for space experimental study on thermocapillary convection that includes the experimental model, measurement system, and control system. The specifics for the construction of an experimental model of an annular liquid pool with variable volume ratios is provided. The fluid temperatures are recorded by six thermocouples with a high sensitivity of 0.05 &#176;C at different points. The temperature distributions on the liquid free surface are captured by means of an infrared thermal camera. The free surface deformation is detected by a displacement sensor with a high accuracy of 1 &#181;m. The experimental process is fully automated. The research is focused on thermocapillary oscillation phenomena on the liquid-free surface and convective pattern transitions through analyses of experimental data and images. This research will be helpful to understand the mechanism of thermocapillary convection and will offer further insights into the nonlinear characteristics, flow instability, and bifurcation transitions of thermocapillary convection.

A protocol for the space payload design, the space experiment on thermocapillary convection, and analyses of experimental data and images are presented in this paper.

Experimento espacial de convección termocapilar en el satélite recuperable SJ-10

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary ...

Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed experimental data regarding free surface vortices are lacking, particularly regarding the turbulence at the interface. The present paper reports on a special type of free surface vortex first proposed by Walter Schauberger in the 1960s that has an oxygen volumetric mass transfer coefficient exceeding the value of similar systems. This special type of vortex forms in a hyperbolic funnel. Different stable regimes can be stabilized with different hydraulic characteristics. Other advantages of this technology are its energy efficiency, simple design, and scalability. The flow in this hyperbolic funnel is characterized by strong turbulence and an increased surface area of the air-water interface. The local pressure strongly varies along the surface, resulting in a pronounced wavey air-water boundary layer. Due to the helical flow, these perturbations move inward, pulling the boundary layer with them. The resultant pressure gradient draws a certain air volume into the water vortex. The construction of the basic hyperbolic funnel setup and operational examples, including high-speed visualization for three different stable regimes, are presented in this work.

This paper describes how three different water vortex regimes in a hyperbolic Schauberger funnel can be created, their most important characteristics, and how associated parameters such as the oxygen transfer rates can be calculated.

Preparación de vórtices de agua hiperbólicos de superficie libre

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed ...

Flow Visualization in a Water Tunnel: Observing the Leading-edge Vortex Over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The delta wing, shown in Figure 1D, is a popular design in high-speed airplanes due to its superb performance in transonic and supersonic flight regimes. This type of wing has a small aspect ratio and high sweep angle, which reduces drag at high subsonic, transonic and supersonic flight regimes. The aspect ratio is defined as the wing span divided by the average chord <img align="middle" src="/files/ftp_upload/10459/10459eq1a.jpg" />.
An important advantage of the delta wing is its high stall angle. The stall of a delta wing is delayed compared to the stall of a high aspect ratio wing. This is because the lift of a delta wing is enhanced by the leading-edge vortex over the wing.
An effective way to observe this vortex flow phenomenon and study the vortex breakdown in a delta wing is by visualizing the flow in a water tunnel. By injecting dye in the flow surrounding a model from dye ports on the leading-edge, the vortex development and breakdown can be observed and its position measured. The data can also be used to estimate the stall angle.
<img src="/files/ftp_upload/10459/10459fig1.jpg" />
Figure 1. Typical wing planform shapes: A) Rectangular, with constant chord along span, B) elliptical, C) tapered, with variable chord along the span, and D) delta wing, an aft-swept wing with zero taper ratio.

Flow in a Water Tunnel: Leading-edge Vortex over a Delta Wing

Visualización del flujo en un túnel de agua: Observación del vórtice en el borde de ataque sobre un ala Delta

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The ...

Educación

JoVE Science Education

Ingeniería aeronáutica

Steady, Laminar Flow Between Parallel Plates

Understanding steady, laminar flow between parallel plates is essential for analyzing and designing flow in narrow rectangular channels, commonly found in various water conveyance and drainage systems. The Navier-Stokes equations govern fluid motion and are generally challenging to solve due to their nonlinearity. However, simplifications are possible in certain cases, like the steady laminar flow between parallel plates. For this scenario, we assume steady, incompressible, laminar flow.
Considering two horizontal plates aligned along the x-axis and spaced a distance &#39;2h&#39; apart, with the y-axis perpendicular to the plates, fluid motion is assumed to be parallel. Here, the continuity equation indicates no change in velocity along the x-axis, and the Navier-Stokes equations reduce as follows:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
The equations in the y and z directions show no pressure gradient along these axes, indicating that pressure varies hydrostatically in the y-direction, allowing integration to yield:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 12px;" />
For parallel plates with a pressure gradient along the x-axis, the equation simplifies:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_3.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
By integrating twice and applying boundary conditions (u = 0 at y = +h and y = -h), we obtain:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_4.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
This expression reveals that the velocity profile across the gap between the plates is parabolic, with maximum velocity at y = 0, midway between the plates. The volumetric flow rate through a unit width of the plates is obtained by integrating the velocity profile across the gap.
Understanding laminar flow between parallel plates has practical applications in groundwater flow, wastewater treatment, and lubrication. For instance, this model can approximate flow in soil layers, where water moves between soil particles like flow between plates. Knowing the flow rate and velocity distribution helps engineers design efficient drainage systems and predict groundwater movement.

Flujo laminar constante entre placas paralelas

Steady, laminar flow between two parallel plates describes fluid movement in a narrow, confined channel, often used to model simple fluid systems.
For ...

JoVE Core

Civil Engineering

Unit 1

Differential Analysis of Fluid Flow

KEY TERMS AND CONCEPTS

Steady, Laminar Flow in Circular Tubes

Hagen-Poiseuille flow describes a viscous fluid&#39;s steady, incompressible flow through a cylindrical tube with a constant radius R. This flow profile is often applied to understand fluid transport in narrow channels, such as capillaries. It serves as a foundational example of laminar flow. In this model, cylindrical coordinates (r,&#952;,z) are used to describe the radial (r), angular (&#952;), and axial (z) dimensions within the tube. For Hagen-Poiseuille flow, the velocity profile is purely axial, meaning the velocity vector points only along the z-axis and varies solely with the radial distance r from the center of the tube.
The governing equations for fluid motion, the Navier-Stokes equations, simplify under these conditions. Without angular or radial velocity components, the axial velocity vz(r) emerges as a function of r alone. Solving the reduced Navier-Stokes equations yields a parabolic velocity profile:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 1.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
This profile demonstrates that viscous drag decreases the fluid velocity from the maximum at the center to zero at the tube wall. This zero velocity at the boundary, known as the no-slip condition, results from the friction between the fluid and the tube wall. Consequently, the flow is laminar, with fluid particles moving in parallel layers without lateral mixing.
Integrating the velocity profile over the cross-sectional area of the tube yields the volumetric flow rate Q, known as Poiseuille&#39;s law:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 2.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
Where &#916;P is the pressure difference across the length L &#160;of the tube, and &#956; is the fluid&#39;s dynamic viscosity. This relation shows that Q is highly sensitive to the tube&#39;s radius, increasing with the fourth power of R. It follows that even a slight increase in radius significantly boosts the flow rate, a principle critical in fluid transport applications.
From Poiseuille&#39;s law, the mean velocity V of the fluid can be expressed as:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 3.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
This average velocity is precisely half of the maximum velocity at the tube&#39;s center, confirming the parabolic velocity distribution and demonstrating the predictable, layered nature of laminar flow in a cylindrical tube.

Flujo laminar constante en tubos circulares

Consider steady, incompressible flow through a straight cylindrical tube of constant radius R, known as Hagen&#8211;Poiseuille flow.
The cylindrical ...