האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט

Summary

הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת באופן נרחב התהליכים הטבעיים ויישומים הנדסה, המאופיינת על ידי סדרה של גרמי מדרגות עם שכבות convecting הומוגנית וממשקים מרובדת. ניתוח ניסיוני מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, בתוך מיכל מלבני.

Abstract

הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת כאשר האנכי מרובדת צפיפות נמצאת בשליטת שני המתנגדים שיטתיות מעברי צבע שיש diffusivities מולקולרי שונה במובהק, מעברי הצבע שיטתית גדול יותר - ולא קטנים יותר-diffusivity יש שליליים או חיוביים תרומות עבור התפלגות צפיפות, בהתאמה. ה-DC מתרחשת אצל רבים התהליכים הטבעיים, יישומים הנדסיים, לדוגמה, אוקיינוגרפיה, אסטרופיזיקה, מטלורגיה. ובאוקיאנוסים, אחת התכונות המופלאות ביותר של DC היא פרופילי טמפרטורה, מליחות אנכי הם כמו גרם מדרגות המבנה, המורכב שלבים עוקבים עם שכבות עבות convecting הומוגנית וממשקים יחסית רזה, גבוהה-צבע. גרמי DC נצפו האוקיינוסים רבים, במיוחד הארקטי וימים באנטארקטיקה, ולשחק תפקיד חשוב על זרימת האוקיינוס ועל שינוי אקלים. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC באוקיינוסים עליון ועמוק. תהליך DC יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון, עשויים להשפיע משמעותית על משטח הקרח נמס. לעומת המגבלות של תצפיות שדה, ניסוי מעבדה מראה את היתרון הייחודי ביעילות לבחון את התהליכים תרמודינמי ודינמיקה בוושינגטון, כי התנאים הגבול ואת הפרמטרים מבוקר ניתן בהחלט להתאים. . הנה, פרוטוקול מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל את הדור, הפיתוח ואת היעלמותה, בתוך מיכל מלבני מלא במים מלוחים מרובדת. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט.

Introduction

הסעת חום דיפוזיה כפול (DDC) הוא אחד התהליכים החשובים ביותר ערבול אנכי. בעיה זו מתרחשת כאשר בחלוקת הצפיפות אנכי של עמודת המים מרובדת נשלטת על ידי שניים או יותר מעברי צבע רכיבים שיטתיות של כיוונים מנוגדים, שבו הרכיבים יש diffusivities מולקולרי שונה במובהק¹. זה קורה באופן נרחב אוקיינוגרפיה², האווירה³, גיאולוגיה⁴, אסטרופיזיקה⁵, מדעי החומרים⁶, מטלורגיה⁷ואדריכלי הנדסה⁸. DDC נוכח כמעט מחצית של האוקיינוס העולמי, יש השלכות חשובות על תהליכי מידה מרובה של אושיאניק, שינויים אקלימיים אפילו⁹.

ישנם שני מצבי העיקרי עבור DDC: מלח אצבע (SF) ובהסעה דיפוזיה (DC). SF מתרחשת כאשר מים חמים, מלוח בנפח גדול מ מים קריר יותר, רענן בסביבת מרובדת. כאשר המים החמות שוכנת מתחת למים קרים ורענן, יהוו ה-DC. תכונה יוצאת דופן של ה-DC הוא הפרופיל האנכי של טמפרטורה, מליחות, צפיפות כמו גרם מדרגות, הולחן על ידי alternant הומוגנית convecting שכבות וממשקים דק, מרובדת חריפה. DC בעיקר מתרחשת ב- latitude גבוהה אוקיינוסים, אגמי מלח פנים מסוימים, כגון הארקטי, האוקיינוסים באנטארקטיקה, הים של וקהוצק, הים האדום ואל אגם קיבו אפריקאי¹⁰. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC^11,האוקיינוסים עליון ועמוק¹². יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון והוא עשוי להשפיע באופן משמעותי על הקרח נמס, אשר מעוררת לאחרונה יותר ויותר האינטרסים הקהילה אוקיינוגרפיה¹³.

מבנה גרם המדרגות DC התגלה לראשונה באוקיינוס הארקטי 1969¹⁴. אחרי זה, Padman & דילון¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, ג'ואו & Lu¹², גאת'רי ואח... ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸ו שיבלי ואח. ¹⁹ נמדד גרמי DC באגני שונים של האוקיינוס הארקטי, כולל האנכי וחום סולמות אופקי של השכבה convecting, ממשק, העומק ואת העובי הכולל של גרם המדרגות, האנכי העברה, התהליכים DC אדי mesoscale, השינויים טמפורלית המרחבי של המבנים גרם מדרגות. שמיד ואח. ²⁰ ו. זומר ואח ²¹ נצפתה גרמי DC באמצעות פרופיילר מיקרו באגם קיבו. הם דיווחו על תכונות מבנה הראשי והנתיבים חום של DC, השוו את פלקסים נמדד חום עם הנוסחה הקיימת פרמטרית. עם המחשב עיבוד מהירויות שיפור, הסימולציות המספרי של DC לאחרונה נעשו, לדוגמה, כדי לבחון את הממשק מבנה וחוסר יציבות, מעבר חום באמצעות ממשק, שכבה אירוע מיזוג, וכן הלאה^{22, 23 , 24}.

תצפית שדה התעלתה את ההבנה של האוקיינוס DC עבור oceanographers, אך המדידה חריפה מוגבל על ידי זרימה של אושיאניק ייווצרו סביבות וכלים. לדוגמה, הממשק DC כולל קנה מידה אנכי קטן מאוד, דק יותר 0.1 m כמה אגמים וימים²⁵, קצת כלי ברזולוציה גבוהה מיוחדים נדרשים. בניסוי מעבדה מציג יתרונות ייחודיים לחקור את חוקי היסוד של תרמודינמי ודינמיקה של DC. עם ניסוי מעבדה, אחד יכול להתבונן על האבולוציה של המדרגות DC, למדוד טמפרטורה, מליחות, ולהציע קצת parameterizations עבור יישומים אושיאניק^26,27. יתר על כן, בניסוי מעבדה, הפרמטרים מבוקרת והתנאים ברצון מותאמות לפי הצורך. לדוגמה, טרנר קודם מדומה המדרגות DC במעבדה בשנת 1965 והציע parameterization העברה של חום ברחבי הממשק המפזרת, המתעדכנות לעתים תכופות, נעשה שימוש נרחב ב באתרו של אושיאניק התצפיות²⁸ .

בנייר זה, פרוטוקול נסיוני מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, במים מלוחים מרובדת מחומם מלמטה. טמפרטורה, מליחות נמדדים על ידי מכשיר מיקרו-סולם, כמו גם גרמי DC במעקב עם טכניקה שדוגרפיה. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט. על ידי שינוי ההתחלתי ואת תנאי גבול, הגדרת הניסוי הנוכחי ואת שיטת יכול לשמש כדי לדמות ושאר התופעות של אושיאניק, כגון הסעה אופקית של אושיאניק, התפרצויות הידרותרמי במים עמוקים, העמקת מעורבות שכבת פני השטח, השפעת הצוללת גיאותרמית על זרימת האוקיינוס, וכך הלאה.

Protocol

1. עובד טנק

הערה: הניסוי מבוצעת בתוך מיכל מלבני. הטנק כולל לוחות עליונים ותחתונים, קיר צד. הלוחות העליונים והתחתונים עשויים נחושת עם משטחים electroplated. יש חדר מים בתוך הפלטה. רכיב pad חימום חשמלי נוסף צלחת התחתון. הקיר בצד עשוי פלסטיק שקוף. גודל המיכל הוא L_x = 257 מ מ (אורך), L_y = 65 מ מ (רוחב) ו- L_z = 257 מ מ (גובה). עובי sidewall הוא 9.5 מ מ.

1. לנקות את הצלחות נחושת ו sidewall פרספקס בזהירות עם מים מזוקקים.
2. להרכיב את המיכל עם ברגים כדי להבטיח המיכל מים חזק.
3. להגדיר מסגרת תומכת מפלדת (גובה של 150 מ מ) על טבלת אופטי ותקן למיכל מעל המסגרת עם חום בידוד סלאב בין, אשר מגביל לדליפת חום ממיכל לעבוד על הטבלה.
4. הכנס שלושה תרמיסטורים (יציבות טמפרטורה של 0.01 מעלות צלזיוס) לתוך כל צלחת וחבר אותם מולטימטר. הערה שתרמיסטורים אלה משמשות כדי לפקח על הטמפרטורות של הלוחות העליונים והתחתונים.
5. מקום של מוליכות מיקרו-סולם טמפרטורה כלי נגינה (MSCTI) בתוך הטנק וחבר אותו הרב-תכליתית נתוני הרכישה (מד א). לתקן את MSCTI לשלב תרגום דיוק ממונע (mpts ב).
   הערה: שימו לב כי MSCTI אפשר להזיז למעלה ולמטה על ידי נע אנכית, כך פרופילי טמפרטורה, מליחות של נוזל עובד מושגות. . הנה, MSCTI יש יציבות טמפרטורה של 0.01 מעלות צלזיוס ומליחות יציבות של 1%. Mpts ב יש דיוק מיקום של 0.005 mm.
6. להגדיר את הפרמטרים בתוכנות התואם את מולטימטר, רכישת נתונים רב-תפקודיים, כגון שיעורי דגימה, נתוני הרכישה ערוצים ונתיבים אחסון. . הנה, הגדר את קצבי דגימה של מולטימטר ורכישת נתונים רב-תפקודיים 1.0 ו 128 Hz, בהתאמה.
7. להגדיר את הפרמטרים נע של mpts ב, כולל המיקום הראשוני, העמדות הגבוהים והנמוכים, העברת מהירות, האצה, של MSCTI התוכנה. כאן, להגדיר את המהירות ואת האצת נע כמו 1 מ מ/s ו- 0.5 מ מ/s², וקבעו המיקומים הגבוהים והנמוכים ביותר כמו 20 ו- 220 מ מ מעל צלחת התחתון. זה מוביל פרק זמן של mpts של 404 s למדידה מעלה-מטה. לקבוע את המיקום הראשוני של MSCTI המיקום הנמוך ביותר.
8. לשמור את טמפרטורת החדר כמעט קבוע בסביבות 24 ° C עם שני ובעוצמת מזגנים (כוח עבודה של 3000 W).

2. מכשיר אופטי

הערה: במהלך הניסוי, האבולוציה של המדרגות DC להיות במעקב עם טכניקה שדוגרפיה, אשר מתגשמת עם להלן נהלים

1. צרף פיסת נייר העתקה (25.7 ס"מ על 25.7 ס"מ) בצד החיצוני של הטנק.
2. השתמש מנורת LED קרן צרה כמקור אור. המקום מקור האור כ- 5 מ' מן הצד השני של הטנק, כך אור מקבילות כמעט יכול להיווצר. שימו לב כי במהלך הניסוי DC שכבות נוזלים מבנה מואר על נייר עקיבה עקב שינוי צפיפות (תואם להשינוי של אינדקס השבירה) של הנוזל.
3. הצב מצלמת וידאו במהירות גבוהה באותו צד של הנייר העקיבה. זה בערך כמטר. תתרחק מהמיכל כך ניתן להקליט את המבנים שכבתית עם הטנק בגודל מלא.
4. הגדר את קצב הדגימה של מצלמת וידאו. שים לב קצב הדגימה צריכה להיות נכונה ללכוד את הפירוט של וצמחתי גרם המדרגות. . הנה, קצב הדגימה של מצלמת וידאו הוא 25 הרץ.
5. להדליק את המנורה ואת מצלמת וידאו, לתקן במקצת את המרחקים שיקויים שלהם, כדי להבטיח זה ברור תמונות יכול להיות נתפס על ידי מצלמת וידאו.

3. עבודה נוזל

1. להכין את המים מלוחים ורענן, שני טנקים.
   1. הצטרפו שני טנקים מלבני זהים (טנק A וטנק B) על ידי צינורית גמישה (10 ס מ אורך, 6 מ מ בקוטר הפנימי של 10 מ מ קוטר חיצוני) מהחלק התחתון של כל אחד.
   2. מילוי טנק A עם מים מלוחים, שלה ריכוז מסה של מלח (קרי, מליחות) הוא 60 g/kg בדוגמה זו.
   3. למלא את מיכל B אחסון שווה של מים מתוקים בטל נודף גז, והשתמש של פגים חשמלי כדי ברציפות homogenize את הנוזל.
   4. . לשמור על הטמפרטורה נוזלים הראשונית בתוך שני טנקים זהה טמפרטורת החדר (24 ° C).
2. להקים צפיפות קווית ריבוד במיכל עבודה.
   1. להשתמש בשיטה הכפולה-טאנק²⁹ כדי ליצור של ריבוד ליניארי הראשונית של המים מלוחים במיכל עבודה.
   2. הצב טנק A ו- B באותו גובה, אשר הוא 30 ס מ גבוה יותר למיכל עבודה. הצטרפות טנק B הטנק לעבוד עם צינור גמיש נוסף (50 ס מ אורך, 2 מ מ בקוטר הפנימי של 5 מ מ בקוטר חיצוני) מ מחוטים. עקב ההבדל לחץ הנוזלים האלה שני טנקים, הנוזל במיכל B יכול להיות לאט מוזרק לתוך הטנק עבודה.
   3. שליטה על מהירות זרימה עם משאבה סחרור ב 0.45 mL/ס הערה כל הזמן של מילוי מים לטנק עבודה הוא בערך 3 ח' חשב המליחות בתחתית המיכל עבודה המבוססת על²⁹
      (1)
      איפה S_A, V ו- V₀ הן מליחות של הטנק A, נפח נוזל הסופי של הטנק עבודה ואת נפח נוזלים הראשונית של טנק A או B, בהתאמה. באמצעות המליחות התחתון S_B , את המים בחלק העליון, היא התדירות ציפה של ריבוד הראשונית N₀
      (2)
      כאשר g היא תאוצת הכובד, ρ₀ הוא הפניה צפיפות וβ הוא מקדם התכווצות מליחות. הערה N₀ מחושבת 1.14 ראד/s בדוגמה זו.

4. עורכים את הניסוי

1. הגדר את תנאי גבול לטנק עבודה.
   1. להתחבר לחדר מים של הפלטה סירקולטור קירור עם שמונה מבוזרות בצורה אחידה רך צינורות פלסטיק (150 ס מ אורך, 10 מ מ קוטר פנימי ו- 15 מ מ בקוטר חיצוני). שימו לב כי הטמפרטורה של הפלטה תלויה הטמפרטורה של סירקולטור בקירור. הגדר את הטמפרטורה של הפלטה כדי להיות זהה טמפרטורת החדר (24 ° C).
   2. להתחבר לספק זרם ישיר כרית חימום חשמלי בתוך צלחת התחתון. הערה שטף חום קבועה ניתנת הנוזל לעבוד במהלך הניסוי הזה, אשר מחושב כמו
      (3)
      היכן U, R ו- A המתח המסופק, התנגדות חשמלית ואזור יעיל של חימום חשמליים פאד, בהתאמה. בדוגמה זו, ההתנגדות ואת אזור יעיל הן 44.12 אוהם, 1.89 × 10^-2 מ'². הגדר את המתח המסופק כמו 60 V, כך החום הכולל שטף F_h הוא 4317 W/m².
2. הפעל את מצלמת וידאו כדי להקליט את תבנית זרימה.
3. הפעל את מולטימטר, הרב-תכליתית קירור והקפאה לעקוב אחר הטמפרטורה של הלוחות העליונים והתחתונים וטמפרטורה ומליחות של נוזל באמצעות את MSCTI.
4. הפעל את mpts ב לעבור את MSCTI למעלה ולמטה כדי להשיג את פרופילי טמפרטורה, מליחות של נוזל העבודה.
5. הפעל את סירקולטור בקירור ולספק את זרם ישיר כדי להשיג את התנאים הגבול העליון והתחתון של נוזל העבודה.
   הערה: הערה כי הניסוי כולו תוכלו לחוות דור, פיתוח, מיזוגים, היעלמותו של המדרגות DC, זה יימשך כ – 5 שעות. לאחר היעלמותו של כל גרמי מדרגות DC, כבה את זרם ישיר לספק, סירקולטור בקירור, mpts ב, מולטימטר, הרב-תכליתית קירור והקפאה, ואת מצלמת וידאו בתורו.

5. עיבוד נתונים

1. שדוגרפיה תמונה
   1. השתמש תוכנית Matlab להמרת וידאו שהוקלט על ידי מצלמת וידאו כדי תמונות עוקבות עבור ניתוח נוסף. להתאים את התמונות האלה. כדי להדגיש את תבנית זרימה בתוך הטנק. להגדיר את עוצמת תמונה דיגיטלי כמוני (x, z), שבו (x, z) מציין את נקודות הציון האופקיות עם המקור בפינה הימנית התחתונה של התמונה. שימו לב אני (x, z) שמשתנה במשך (0, 1) עם רמת האפור של 256. לנרמל את כל תמונה על-ידי תמונת רקע עד³⁰
      (4)
      איפה נגמר עוצמת התמונה ממוצע 10 תמונות שצולמו לפני את קירור וחימום מיושמת, מציין את עוצמת i התמונהth . בדרך זו, ניתן להסיר את הליקויים נייח של תמונות. כדי לבחון את האבולוציה הטמפורלי של DC דפוס, ניתן להמיר כל תמונת פרופיל תנודות בעוצמה אנכי יחיד, , על-ידי חישוב התמונה עוצמת התנודות (קרי, שורש ממוצע הריבועים בעוצמה) לאורך כיוון אופקי . להתוות את עוצמת התנודה פרופילי של תמונות עוקבות יחד עם הגדלת הזמן להראות את וצמחתי של גרמי DC.
2. פרופילי טמפרטורה, מליחות
   1. הערה בניסוי זה את הפרופיל האנכי של טמפרטורה, מליחות של נוזל העבודה נמדדת על ידי MSCTI נע מעלה-מטה. לחשב את הגובה הטמפורלי, h(t), של MSCTI עם הממוצע נע מהירות w, בזמן t, את מוצא זמן t₀ (תואם למצב הנמוך ביותר), מה המיקום הנמוך_L ומקם הגבוה ביותר h_H, כמו
      (5)
      איפה MSCTI עוברת תקופה מהמיקום הנמוך (גבוה ביותר) לגבוה (הנמוך ביותר), n ואלפא הם החלקים אינטגרלי של השבר, בהתאמה. ואז לחשב את גובה טמפורלית h(t) כמו
      (6)
      הערה במשוואה (6), אם n הוא אפילו, MSCTI זז אחרת MSCTI זז למטה. להתוות את הזמן בסדרה טמפרטורה T(t), מליחות S(t) מבחינת גובה h(t) כדי לקבל את פרופילי טמפרטורה, מליחות אנכי.

תוצאות

איור 1 מציג את הסכמה של ההתקנה ניסיוני. מרכיביו מתוארים בפרוטוקול. החלקים העיקריים מוצגות באיור איור 1a , הטנק עבודה מפורט מוצג איור 1b. איור 2 מציג את שינויי טמפרטורה בחלק התחתון (T_b, העקומה אדום) צלחות העליון (T_t, העקו?...

Discussion

נייר זה מתואר פרוטוקול נסיוני מפורט כדי לדמות את המבנים מדרגות DC thermohaline בתוך מיכל מלבני. ריבוד צפיפות קווית הראשונית של נוזל לעבוד נבנית באמצעות השיטה שני מיכלים. הפלטה נשמרת טמפרטורה, והתחתון-שטף חום קבוע. תהליך האבולוציה כל המדרגות DC, לרבות שלה הדור, פיתוח, מיזוגים היעלמותו, הם דמיינו את ?...

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