Evoluzione delle strutture di scala in convezione diffusivo

Riepilogo

Convezione diffusivo (DC) si verifica ampiamente nei naturali processi e applicazioni ingegneristiche, caratterizzate da una serie di scale con strati omogenei convettiva e interfacce stratificate. Una procedura sperimentale è descritta per simulare il processo di evoluzione della struttura scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare.

Abstract

Diffusivo convezione (DC) si verifica quando la verticale stratificata densità è controllata da due opposti scalari sfumature che hanno distintamente differente diffusività molecolare e i gradienti di scalare più grandi e più piccoli-diffusività sono positivi e negativi contributi per la distribuzione di densità, rispettivamente. La DC si verifica in molti processi naturali e applicazioni di ingegneria, per esempio, oceanografia, astrofisica e metallurgia. Negli oceani, una delle caratteristiche più notevoli di DC è che i profili verticali di temperatura e salinità sono scala-come la struttura, composta di passaggi consecutivi con spessi strati omogenei convettiva e interfacce relativamente sottile e ad alto gradiente. Le scale di DC sono state osservate in molti oceani, soprattutto nell'Artico e Antartico oceani e svolgono un ruolo importante sulla circolazione oceanica e cambiamento climatico. Nell'Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiori e profondi. Il processo di DC ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell'oceano superiore e può influenzare significativamente il ghiaccio-fusione superficiale. Rispetto alle limitazioni di osservazioni sul campo, esperimento di laboratorio Mostra relativo vantaggio unico di esaminare in modo efficace i processi di dinamici e termodinamici in DC, perché le condizioni al contorno e i parametri controllati possono essere strettamente registrati. Qui, un protocollo dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della struttura di scala DC, tra cui la sua generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare riempita con acqua salina stratificato. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio.

Introduzione

Doppia convezione diffusivo (DDC) è uno dei più importanti processi di miscelazione verticali. Si verifica quando la distribuzione di densità verticale della colonna d'acqua stratificato è controllata da due o più sfumature di componenti scalari di direzioni opposte, dove i componenti sono distintamente differenti diffusività molecolare¹. Si presenta ampiamente in Oceanografia², atmosfera³, geologia⁴, astrofisica⁵, scienza dei materiali⁶, metallurgia⁷e ingegneria architettonica⁸. DDC è presente in quasi la metà dell'oceano globale, e ha importanti effetti sul oceanici multi-scala processi e cambiamenti climatici anche⁹.

Ci sono due modalità principali per DDC: sale dito (SF) e diffusivo convezione (DC). SF si verifica quando un acqua calda salata acqua più fresco, più fresco nell'ambiente stratificato si sovrapponga a massa. Quando l'acqua calda e salata si trova sotto l'acqua fredda e fresca, si formerà la DC. La caratteristica notevole del controller di dominio è che i profili verticali della temperatura, salinità e densità sono scala-come, composta da alternant omogenea convettivo strati e interfacce sottile, fortemente stratificate. DC si verifica principalmente negli oceani di alta latitudine e alcuni laghi salati interni, quali l'Artico e Antartico oceani, il mare di Okhotsk, il mar rosso e lago Kivu African¹⁰. Nell'Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiore e profondo^11,12. Ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell'oceano superiore e possono influenzare significativamente il ghiaccio-fusione, che recentemente suscita sempre più interesse in Oceanografia comunit๳.

La struttura di scala DC fu scoperto nell'Oceano Artico nel 1969¹⁴. Dopo quello, paolieri & Dillon¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸e Shibley et al. ¹⁹ misurato le scale DC in diversi bacini dell'oceano artico, compresa la verticale e orizzontale scale dello strato convettiva e interfaccia, la profondità e lo spessore totale della scala, verticale trasferimento di calore, i processi di DC in mesoscala eddy e i cambiamenti temporali e spaziali delle strutture scala. Schmid et al. ²⁰ e Sommer et al. ²¹ osservato le scale DC utilizzando un profiler di microstruttura nel lago Kivu. Hanno riportato le caratteristiche della struttura principale e flussi di calore di DC e rispetto i flussi di calore misurato con la formula parametrica esistente. Con miglioramento della velocità di elaborazione del computer, recentemente sono state fatte simulazioni numeriche della DC, ad esempio, per esaminare l'interfaccia struttura e instabilità, trasferimento di calore attraverso interfaccia, evento fusione di strato e così via^{22, 23 , 24}.

Osservazione del campo ha notevolmente migliorato la comprensione dell'oceano DC per gli oceanografi, ma la misura è fortemente limitata dalla strumenti e ambienti di indeterminato fluire oceanica. Ad esempio, l'interfaccia di DC ha una scala verticale estremamente piccola, più sottile di 0.1 m in alcuni laghi e oceani²⁵, e sono necessari alcuni strumenti speciali ad alta risoluzione. L'esperimento di laboratorio Mostra i suoi vantaggi unici in esplorare le leggi fondamentali di dinamiche e termodinamiche della DC. Con un esperimento di laboratorio, uno può osservare l'evoluzione della scala DC, misurare la temperatura e la salinità e proporre alcuni parametrizzazioni per l'applicazioni oceanic^26,27. Inoltre, in un esperimento di laboratorio, i parametri controllati e condizioni prontamente sono regolate come richiesto. Ad esempio, Turner prima simulato la scala DC in laboratorio nel 1965 e proposto una parametrizzazione del trasferimento di calore attraverso l'interfaccia diffusivo, che è stato frequentemente aggiornato e ampiamente utilizzato nelle osservazioni oceaniche in situ ²⁸ .

In questa carta, un protocollo sperimentale dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in stratificato acqua salina riscaldata dal basso. La temperatura e la salinità sono misurate da uno strumento di micro-scala, così come le scale DC monitorate con la tecnica di shadowgraph. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio. Alterando le fasi iniziali e condizioni al contorno, la messa a punto sperimentale presente e il metodo può essere utilizzati per simulare altri fenomeni oceanici, come la convezione oceanica orizzontale, d'altura eruzioni idrotermali, strato superficiale misto approfondimento, l'effetto di sottomarino geotermica sulla circolazione oceanica e così via.

Protocollo

1. lavoro serbatoio

Nota: L'esperimento è effettuato in una vasca rettangolare. Il serbatoio comprende piastre superiore e inferiore e una parete laterale. Le piastre superiore e inferiore sono in rame con superfici elettrolitica. C'è una camera dell'acqua all'interno della piastra superiore. Un rilievo di riscaldamento elettrico è inserito nella piastra inferiore. La parete laterale è in Plexiglas trasparente. La dimensione del serbatoio è L_x = 257 mm (lunghezza), L_y = 65 mm (larghezza) e L_z = 257 mm (altezza). Lo spessore del fianco è di 9,5 mm.

1. Pulire le piastre di rame e la parete laterale in Plexiglas con cura con acqua distillata.
2. Montare il serbatoio con viti per assicurarsi che il serbatoio è a tenuta stagna.
3. Impostare una struttura di sostegno in acciaio inox (altezza 150 mm) su un tavolo ottico e fissare il serbatoio sopra il telaio con una lastra termoisolante in mezzo, che limita la dispersione di calore dal serbatoio di lavoro alla tabella.
4. Inserire tre termistori (stabilità di temperatura di 0,01 ° C) in ogni piatto e collegarli a un multimetro digitale. Nota che questi termistori vengono utilizzati per monitorare le temperature delle piastre superiore e inferiore.
5. Inserire una Micro-scala conducibilità e temperatura dello strumento (MSCTI) all'interno del serbatoio e collegarlo ad un'acquisizione di dati multifunzione (MDA). Difficoltà il MSCTI ad una fase di traduzione di precisione motorizzate (MPTS).
   Nota: Nota che il MSCTI può essere spostato su e giù per il movimento verticale, così che si ottengono i profili di temperatura e salinità del fluido di lavoro. Qui, il MSCTI ha stabilità di temperatura di 0,01 ° C e salinità stabilità dell'1%. Il MPTS ha precisione posizionale di 0,005 mm.
6. Impostare i parametri in programmi software corrispondente il multimetro digitale e l'acquisizione dati multifunzione, come frequenze di campionamento, canali di acquisizione di dati e percorsi di archiviazione. Qui, impostare le frequenze di campionamento del multimetro digitale e l'acquisizione dati multifunzione come 1.0 e 128 Hz, rispettivamente.
7. Impostare i parametri di movimento con il programma della MPTS, compresa la posizione iniziale, le posizioni più basse e più alte, lo spostamento di velocità e accelerazione, della MSCTI. Qui, impostare la velocità e l'accelerazione commovente come 1 mm/s e 0,5 mm/s²e le posizioni più basse e più alte come 20 e 220 mm sopra la piastra inferiore. Questo porta a un periodo di tempo di MPTS di 404 s per una misurazione su-giù. Impostare la posizione iniziale della MSCTI sulla posizione più bassa.
8. Mantenere la temperatura quasi costante intorno ai 24 ° C con due condizionatori d'aria ad alta potenza (potenza di lavoro di 3000 W).

2. ottico apparato

Nota: Durante l'esperimento, l'evoluzione della scala DC dovrebbe essere monitorato con la tecnica shadowgraph, che si compie con le procedure che seguono

1. Attaccare un pezzo di carta da ricalco (25,7 cm x 25,7 cm) all'esterno del serbatoio.
2. Utilizzare una lampada a fascio stretto LED come la sorgente luminosa. Posizionare la fonte di luce circa 5 m dal lato opposto del serbatoio, in modo che una luce quasi collimata può essere generata. Si noti che durante l'esperimento la DC a strati struttura fluida sono illuminato su carta da lucido a causa del cambiamento di densità (corrispondente alla variazione dell'indice di rifrazione) del fluido.
3. Posto una videocamera ad alta velocità sullo stesso lato della carta da lucido. È circa 1 m di distanza il serbatoio affinché le strutture stratificate con il serbatoio di full-size possono essere registrate.
4. Impostare la frequenza di campionamento della videocamera. Si noti che la frequenza di campionamento deve essere corretta catturare i dettagli delle evoluzioni scala. Qui, la frequenza di campionamento della videocamera è 25 Hz.
5. Accendere la lampada e la videocamera e modificare leggermente le loro pozioni e distanze, per garantire immagini chiare e che possono essere catturate dalla videocamera.

3. il fluido di lavoro

1. Preparare le acque saline e fresche in due serbatoi.
   1. Unire due vasche rettangolari identiche (serbatoio A e serbatoio B) da un tubo flessibile (10 cm di lunghezza, 6 mm di diametro interno e diametro esterno 10 mm) dalla parte inferiore di ciascuna di esse.
   2. Riempimento serbatoio A con acqua salina, la concentrazione di massa di sale (cioè, salinità) è di 60 g/kg in questo esempio.
   3. Riempire il serbatoio B con un volume uguale di acqua fresca de-gasato e utilizzare un agitatore magnetico elettrico per omogeneizzare continuamente il fluido.
   4. Mantenere la temperatura iniziale del fluido all'interno di entrambi i serbatoi la stessa come la temperatura ambiente (24 ° C).
2. Stabilire la stratificazione di densità lineare nel serbatoio di lavoro.
   1. Utilizzare il metodo doppio serbatoio²⁹ per stabilire una stratificazione lineare iniziale dell'acqua salina nel serbatoio di lavoro.
   2. Posizionare il serbatoio A e B alla stessa altezza, che è 30 cm più alto rispetto al serbatoio di lavoro. Unisciti a serbatoio B e il serbatoio di lavoro con un altro tubo flessibile (50 cm di lunghezza, 2 mm di diametro interno e diametro esterno 5 mm) da loro fondo. A causa della differenza di pressione del fluido in questi due serbatoi, il fluido nel serbatoio B può essere iniettato lentamente nel serbatoio di lavoro.
   3. Controllare la velocità di flusso con una pompa peristaltica a 0,45 mL/s. nota tutto il tempo di rifornimento di acqua per il serbatoio di lavoro è circa 3 h. calcola la salinità nella parte inferiore del serbatoio di lavoro basata su²⁹
      (1)
      dove S_A, V e V₀ sono salinità del serbatoio A, il volume finale del liquido del serbatoio di lavoro e il volume iniziale del liquido del serbatoio A (o B), rispettivamente. Utilizzando la salinità nella parte inferiore S_B e l'acqua fresca nella parte superiore, è la frequenza dell'assetto iniziale stratificazione N₀
      (2)
      dove g è l'accelerazione gravitazionale,₀ ρ è la densità di riferimento e β è il coefficiente di contrazione di salinità. Nota il N₀ viene calcolato come 1.14 rad/s in questo esempio.

4. esecuzione dell'esperimento

1. Impostare le condizioni al contorno per il serbatoio di lavoro.
   1. Collegare la camera dell'acqua della piastra superiore di un circolatore refrigerato con otto tubi di morbide plastica uniformemente distribuiti (150 cm di lunghezza, 10 mm di diametro interno e diametro esterno di 15 mm). Si noti che la temperatura della piastra superiore dipende dalla temperatura del circolatore refrigerato. Impostare la temperatura della piastra superiore per essere lo stesso come la temperatura ambiente (24 ° C).
   2. Collegare il rilievo di riscaldamento all'interno della piastra di fondo per un rifornimento di corrente continua. Nota un flusso di calore costante è previsto per il fluido di lavoro durante questo esperimento, che è calcolato come
      (3)
      dove U, R e A sono la tensione fornita, resistenza elettrica e area efficace di riscaldamento elettrico pad, rispettivamente. In questo esempio, la resistenza e la zona efficace sono 44,12 ohm e 1,89 × 10^-2 m². Impostare la tensione fornita come 60 V, in modo che il calore totale di flusso F_h è 4317 W/m².
2. Accendere la videocamera per registrare il modello di flusso.
3. Accendere il multimetro digitale, acquisizione dati multifunzione per monitorare la temperatura delle piastre superiore e inferiore e la temperatura e la salinità del liquido utilizzando il MSCTI.
4. Accendere il MPTS per spostare il MSCTI su e giù per ottenere i profili di temperatura e salinità del fluido di lavoro.
5. Accendere il circolatore refrigerato e l'alimentatore di corrente continua a raggiungere le condizioni di limite superiore e inferiore del fluido di lavoro.
   Nota: Nota che l'intero esperimento sperimenteranno la generazione, sviluppo, Unione e la scomparsa della scala DC, e durerà circa 5 ore. Dopo la scomparsa di tutte le scale di DC, spegnere l'alimentazione di corrente continua, circolatore refrigerato, MPTS, multimetro digitale, acquisizione dati multifunzione e videocamera a sua volta.

5. elaborazione dei dati

1. Immagine di Shadowgraph
   1. Utilizzare un programma Matlab per convertire il video registrato dalla videocamera per immagini successive per ulteriori analisi. Adattare queste immagini per accentuare il modello di flusso all'interno del serbatoio. Impostare l'intensità di immagine digitale come ho (x, z), dove (x, z) indica le coordinate orizzontali e verticali con origine nell'angolo inferiore sinistro dell'immagine. Si noti che (x, z) variano in (0, 1) con livello di grigio di 256. Normalizzare ogni immagine di un'immagine di sfondo come³⁰
      (4)
      dove è l'intensità media immagine finita 10 immagini scattate prima del raffreddamento e riscaldamento viene applicato, denota l'intensità della prima l'immagine dith . In questo modo, i difetti fissi nelle immagini possono essere rimosso. Al fine di esaminare l'evoluzione temporale del modello DC, ogni immagine può essere convertito in un profilo di fluttuazione di singola intensità verticale, , calcolando la fluttuazione di intensità immagine (cioè, root-mean-square di intensità) lungo il direzione orizzontale . Tracciare i profili di fluttuazione di intensità delle immagini successive insieme aumentando il tempo di mostrare le evoluzioni delle scale DC.
2. Profili di temperatura e salinità
   1. Nota in questo esperimento i profili verticali di temperatura e salinità del fluido di lavoro sono misurati mediante la MSCTI di movimento su-giù. Calcolare l'altezza temporale, h (t), di MSCTI con la media di velocità w, tempo t, la partenza tempo t₀ (corrispondente alla posizione più bassa), il più basso posizione h_L in movimento e la più alta posizione h_H, come
      (5)
      dove è il MSCTI si spostano periodo da più basso (più alto) al più alto (più basso) posizione, n e δ sono le parti integrali e frazionarie, rispettivamente. Quindi calcolare il temporale altezza h (t) come
      (6)
      Nota nell'equazione (6), se n è pari, il MSCTI si sta muovendo; altrimenti il MSCTI è in movimento verso il basso. Tracciare la temperatura di tempo serie T(t) e la salinità s (t) in termini di altezza h (t) per ottenere i profili verticali di temperatura e salinità.

Risultati

Figura 1 Mostra lo schema dell'apparato sperimentale. Suoi componenti sono descritti nel protocollo. Le parti principali sono mostrate in Figura 1a e il serbatoio di lavoro dettagliato è mostrato in Figura 1b. La figura 2 Mostra i cambiamenti di temperatura nella parte inferiore (T,_b, la curva rossa) e piastre superiore (T,_t, la curva nera). È indicato che la temperatura delle du...

Discussione

In questo articolo è descritto un dettagliato protocollo sperimentale per simulare le strutture di scala termoalina DC in una vasca rettangolare. Una stratificazione di densità lineare iniziale del fluido di lavoro è costruita utilizzando il metodo di due bombole. La piastra superiore è mantenuta a una temperatura costante e quello inferiore al flusso di calore costante. Il processo di intera evoluzione della scala DC, tra cui la sua generazione, sviluppo, Unione e scomparsa, sono visualizzati con la tecnica di shado...

Materiali

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