עבודה זו נתמכה על ידי NSF הסינית מענקים (41706033, 91752108 ו- 41476167), מענקים אכ מ Grangdong (2017A030313242 ו- 2016A030311042) LTO גרנט (LTOZZ1801).

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 Lx = 257 מ מ (אורך), Ly = 65 מ מ (רוחב) ו- Lz = 257 מ מ (גובה). עובי sidewall הוא 9.5 מ מ.
<ol><li>לנקות את הצלחות נחושת ו sidewall פרספקס בזהירות עם מים מזוקקים.</li>
	<li>להרכיב את המיכל עם ברגים כדי להבטיח המיכל מים חזק.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>לשמור את טמפרטורת החדר כמעט קבוע בסביבות 24 ° C עם שני ובעוצמת מזגנים (כוח עבודה של 3000 W).</li>
</ol>2. מכשיר אופטי
הערה: במהלך הניסוי, האבולוציה של המדרגות DC להיות במעקב עם טכניקה שדוגרפיה, אשר מתגשמת עם להלן נהלים
<ol><li>צרף פיסת נייר העתקה (25.7 ס"מ על 25.7 ס"מ) בצד החיצוני של הטנק.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>להדליק את המנורה ואת מצלמת וידאו, לתקן במקצת את המרחקים שיקויים שלהם, כדי להבטיח זה ברור תמונות יכול להיות נתפס על ידי מצלמת וידאו.</li>
</ol>3. עבודה נוזל
<ol><li>להכין את המים מלוחים ורענן, שני טנקים.<ol>
<li>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.</li>
		<li>מילוי טנק A עם מים מלוחים, שלה ריכוז מסה של מלח (קרי, מליחות) הוא 60 g/kg בדוגמה זו.</li>
		<li>למלא את מיכל B אחסון שווה של מים מתוקים בטל נודף גז, והשתמש של פגים חשמלי כדי ברציפות homogenize את הנוזל.</li>
		<li>. לשמור על הטמפרטורה נוזלים הראשונית בתוך שני טנקים זהה טמפרטורת החדר (24 ° C).</li>
	</ol>
</li>
	<li>להקים צפיפות קווית ריבוד במיכל עבודה.<ol>
<li>להשתמש בשיטה הכפולה-טאנק29 כדי ליצור של ריבוד ליניארי הראשונית של המים מלוחים במיכל עבודה.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq1.jpg">(1) איפה SA, 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 SB , את המים בחלק העליון, היא התדירות ציפה של ריבוד הראשונית N0 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq2.jpg">(2) כאשר g היא תאוצת הכובד, ρ0 הוא הפניה צפיפות וβ הוא מקדם התכווצות מליחות. הערה N0 מחושבת 1.14 ראד/s בדוגמה זו.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. עורכים את הניסוי
<ol><li>הגדר את תנאי גבול לטנק עבודה.<ol>
<li>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).</li>
		<li>להתחבר לספק זרם ישיר כרית חימום חשמלי בתוך צלחת התחתון. הערה שטף חום קבועה ניתנת הנוזל לעבוד במהלך הניסוי הזה, אשר מחושב כמו <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq3.jpg">(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 Fh הוא 4317 W/m2.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הפעל את מצלמת וידאו כדי להקליט את תבנית זרימה.</li>
	<li>הפעל את מולטימטר, הרב-תכליתית קירור והקפאה לעקוב אחר הטמפרטורה של הלוחות העליונים והתחתונים וטמפרטורה ומליחות של נוזל באמצעות את MSCTI.</li>
	<li>הפעל את mpts ב לעבור את MSCTI למעלה ולמטה כדי להשיג את פרופילי טמפרטורה, מליחות של נוזל העבודה.</li>
	<li>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.</li>
</ol>5. עיבוד נתונים
<ol><li>שדוגרפיה תמונה<ol>
<li>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 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq4.jpg">(4) איפה <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq5.jpg"> נגמר עוצמת התמונה ממוצע 10 תמונות שצולמו לפני את קירור וחימום מיושמת, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq6.jpg"> 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, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, על-ידי חישוב התמונה עוצמת התנודות (קרי, שורש ממוצע הריבועים בעוצמה) לאורך כיוון אופקי <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>. להתוות את עוצמת התנודה פרופילי <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> של תמונות עוקבות יחד עם הגדלת הזמן להראות את וצמחתי של גרמי DC.</li>
	</ol>
</li>
	<li>פרופילי טמפרטורה, מליחות<ol>
<li>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 הנמוךL ומקם הגבוה ביותר hH, כמו <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq8.jpg">(5) איפה <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq9.jpg"> 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 <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq10.jpg">(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.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Buoyancy Effects in Fluids. , 367 (1973).</li><li>Schmitt, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+diffusion+in+oceanography.">Double diffusion in oceanography.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).</li><li>Turner, J. S., Gustafson, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+motions+and+compositional+gradients+produced+by+crystallization+or+melting+at+vertical+boundaries.">Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).</li><li>Robb, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to Ore-forming Processes. , 373 (2004).</li><li>Chabrier, G., Baraffe, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+in+giant+(exo)planets:+a+new+perspective.">Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective.</a> The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).</li><li>Langlois, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buoyancy-driven+flows+in+crystal-growth+melts.">Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).</li><li>Chen, C. -. F., Johnson, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection:+A+report+on+an+engineering+foundation+conference.">Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference.</a> Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).</li><li>Griffiths, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layered+double-diffusive+convection+in+porous+media.">Layered double-diffusive convection in porous media.</a> Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).</li><li>You, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+global+ocean+climatological+atlas+of+the+Turner+angle:+implications+for+double-diffusion+and+water-mass+structure.">A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure.</a> Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).</li><li>Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+diffusive+regime+of+double+diffusive+convection.">The diffusive regime of double diffusive convection.</a> Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).</li><li>Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice-Tethered+Profiler+observations+of+the+double-diffusive+staircase+in+the+Canada+Basin+thermocline.">Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).</li><li>Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+double+diffusive+convection+steps+and+heat+budget+in+the+deep+Arctic+Ocean.">Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+melting+of+ice+in+the+arctic+ocean:+The+influence+of+double-diffusive+transport+of+heat+from+below.">The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below.</a> Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).</li><li>Neal, V. 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. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+fluxes+through+the+Beaufort+Sea+thermohaline+staircase.">Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).</li><li>Sirevaag, A., Fer, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+transfer+in+the+Arctic+Ocean:+The+role+of+double-diffusive+mixing.">Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).</li><li>Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observational+validation+of+the+diffusive+convection+flux+laws+in+the+Amundsen+Basin,+Arctic+Ocean.">Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).</li><li>Bebieva, Y., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+examination+of+double-diffusive+processes+in+a+mesoscale+eddy+in+the+Arctic+Ocean.">An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).</li><li>Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+variability+of+the+Arctic+Ocean's+double-diffusive+staircase.">Spatial variability of the Arctic Ocean's double-diffusive staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).</li><li>Schmid, M., Busbridge, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection+in+Lake+Kivu.">Double-diffusive convection in Lake Kivu.</a> Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).</li><li>Sommer, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+structure+and+flux+laws+in+a+natural+double-diffusive+layering.">Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).</li><li>Carpenter, J. R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulations+of+a+double-diffusive+interface+in+the+diffusive+convection+regime.">Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime.</a> Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).</li><li>Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+through+diffusive+interfaces.">Heat transport through diffusive interfaces.</a> Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).</li><li>Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+recipes.+Part+II:+Layer-merging+events.">Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).</li><li>Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=+Double+diffusion+in+saline+Powell+Lake,+British+Columbia."> Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).</li><li>Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. 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. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+coupled+turbulent+transports+of+salt+and+heat+across+a+sharp+density+interface.">The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).</li><li>Hill, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=General+density+gradients+in+general+domains:+the+&amp;#34;two-tank&amp;#34;+method+revisited.">General density gradients in general domains: the &amp;#34;two-tank&amp;#34; method revisited.</a> Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).</li><li>Zhou, S. Q., Ahlers, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+chaos+in+electroconvection+of+a+homeotropically+aligned+nematic+liquid+crystal.">Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal.</a> Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

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 ?...

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 DC11,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 הלאה22, 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 אושיאניק26,27. 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.

<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

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.

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 (Tb, העקומה אדום) צלחות העליון (Tt, העקו?...

Watch this Scientific Journal Video about Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection at JoVE.com

Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

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.

האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט

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

evolution-of-staircase-structures-in-diffusive-convection

Research

JoVE Journal

Environment

6.4K Views.  Chinese Academy of Sciences. 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.

Video: Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

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.

דור קרח ואת מעבר החום ומסת התופעות של מי היכרות על אמבט קר של בריין

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 ...

Engineering

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.

חקירה ניסויית של מבנים זרימה משני Downstream של כישלון IV סטנט דגם הקלד סעיף מבחן עורק 180 ° מפותל

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

Bioengineering

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.

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

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.

סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

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

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.

חותמת מדרגי והדפסת פבריקציה נוספת של Hemiwicking משטחים

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.

ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של 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.

הכנת מערבולות מים היפרבוליות חופשיות

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

הדמיה של זרימה במנהרת מים: התבוננות במערבולת המובילה מעל כנף דלתא

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

Education

JoVE Science Education

Aeronautical Engineering

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.

זרימה יציבה ולמינרית בין לוחות מקבילים

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.

זרימה יציבה ולמינרית בצינורות עגולים

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