拡散対流における階段形状の進化

要約

拡散対流 (DC) は広く自然のプロセスと同種の対流層と成層界面と階段の連続によって特徴付けられる、エンジニア リング アプリケーションで発生します。実験手順、長方形タンクの生成、開発および消失を含む、DC 階段構造の進化プロセスをシミュレートする説明します。

要約

拡散対流 (DC) 密度が 2 つの異なる分子拡散スカラーのグラデーションに反対によって制御されより大きいと、小さい-拡散スカラー勾配が正と負の垂直層状するときに発生します密度分布のための貢献それぞれ。DC は、多くの自然のプロセスと工学的応用、海洋学、天体物理学、冶金などで発生します。海洋の DC の最も顕著な特徴の 1 つは鉛直水温・塩分分布が厚い均一対流層と比較的薄いと高勾配インタ フェース連続ステップの階段のような構造であることです。DC 階段は北極と南極海を中心に、いろいろな海で観察されているし、海洋循環と気候変動に重要な役割を果たします。北極海における上部と深い海の流域と永続的な DC の階段が存在します。DC プロセスは深層海洋上層の混合に重要な影響を及ぼすし、表面の氷の融解に大きく影響があります。実験観測の制限に比べると、そのユニークな利点 dc、動的・熱力学的プロセスを効果的に調べる境界条件と制御のパラメーターを厳密に調整できますのでを示しています。ここでは、詳細なプロトコルと成層の食塩水で満たされた長方形タンクの生成、開発および消失を含む DC 階段構造の進化プロセスをシミュレートする説明です。実験のセットアップ、進化プロセス、データ分析、および結果の検討は、詳細で説明されます。

概要

二重拡散対流 (DDC) は、最も重要な垂直混合プロセスのひとつです。それは、層状水の列の垂直方向の密度分布がコンポーネントが異なる分子拡散¹をある反対の方向の 2 つ以上のスカラー部品勾配によって制御されるときに発生します。それは広く海洋²雰囲気³、地質学⁴、天体物理学⁵、材料科学⁶冶金⁷、および建築工学⁸で発生します。DDC は、世界の海洋のほとんど半分で現在、海洋のマルチ スケール プロセスとも気候変動⁹に対する重要な効果です。

DDC の主に 2 つのモードがある: 塩の指 (SF) と拡散対流 (DC)。SF は、暖かく、塩辛い水固まり成層環境でクーラー、新鮮な水を覆います。暖かく、塩辛い水は冷たい、新鮮な水の下にある、DC が形成されます。DC の顕著な特徴は、水温・塩分・密度の鉛直分布が階段のようより均一に対流する層と薄く、強く成層界面によって構成されることです。DC は高緯度の海や北極海や南極海などのいくつかの内部の salt 湖で主にオホーツク海、紅海、アフリカのキブ湖¹⁰発生します。北極海の流域と永続的な DC 階段上部と深い海^11,12が存在します。それは深層海洋上層の混合に重要な影響を及ぼすし、氷の融解、最近海洋コミュニティ¹³より多くの興味をそそりますに大きく影響があります。

DC 階段構造最初 1969年¹⁴で、北極海で発見されました。その、パッドマン ・ ディロン¹⁵後、ティンメルマンスら。¹¹、Sirevaag & Fer¹⁶周・魯¹²、ガスリーら。¹⁷Bebieva ・ ティンメルマンスは¹⁸、およびワイスマンら。¹⁹測定垂直方向を含む北極海の異なる流域で DC 階段と対流層とインターフェイス、深さと、階段の総厚さの水平スケール垂直伝で DC プロセスメソ渦と階段構造の時空変遷。シュミットら。²⁰ゾンマーら²¹は、キブ湖の微細構造プロファイラーを用いて DC 階段を観察しました。彼らは主要な構造機能および DC の熱流束を報告、既存のパラメトリック式で測定した熱フラックスを比較します。コンピューターの処理速度を向上させると DC のシミュレーションが行われている最近、たとえば、インターフェイスを確認する構造と不安定性、インターフェイスを通じて熱伝達層の結合イベント^22,23,24。

フィールド観測、海洋学者の海 DC の理解を大幅に強化が、測定は強く中間海洋流れ環境と楽器によって制限されます。たとえば、DC インターフェイスは、非常に小型の垂直方向のスケールをいくつか湖や海で²⁵、0.1 m よりも薄いといくつかの特別な高解像度の器具が必要があります。実験では、DC の基本的な動的・熱力学的法則を探究することに独特な利点を示しています。室内実験と DC 階段の進化を観察、温度と塩分濃度測定、海洋アプリケーション^26,27のいくつかのパラメーター化を提案できます。さらに、研究室の実験では、制御パラメーターと条件が容易に調整必要に応じて。たとえば、ターナーは最初 1965 年に実験室で DC 階段をシミュレートし、頻繁に更新され、その場で海洋観測^{28 で広く使用されて拡散界面熱伝達のパラメーター化を提案}.

本稿で詳細な実験的プロトコルと DC 階段を下から加熱成層の食塩水で生成、開発および消失を含むの進化プロセスをシミュレートする説明です。水温・塩分は、影絵を用いた監視されている DC 階段と同様、マイクロ スケール装置によって測定されます。実験のセットアップ、進化プロセス、データ分析、および結果の検討は、詳細で説明されます。初期と境界条件を変えることによって現在の実験設定とメソッドを海洋の水平対流、深海熱水噴火、表層混合層の深化の効果などの他の海洋現象をシミュレートするために使用できます。潜水艦が海洋循環上の地熱です。

プロトコル

1. ワーキング タンク

注: 実験は長方形タンクで実施です。タンクは、上部と下部のプレートと側壁に含まれます。上部と下部プレートは、めっき表面の銅から成っています。トップ プレートの中で水室があります。電気加熱パッドは、底板に挿入されます。側の壁は透明なプレキシ グラス製です。水槽サイズは L_x 257 mm (長さ)、L_yを = = 65 mm (幅)、L_z = 257 mm (高さ)。側壁の厚さ 9.5 mm です。

1. 銅のプレートと蒸留水で慎重にプレキシ ガラス側壁をきれい。
2. タンクは水が漏らないようにネジを使用してタンクを組み立てます。
3. 光学テーブルのステンレス製サポート フレーム (高さ 150 mm) を設定し、テーブルに現用戦車からの熱漏れを制限するスラブ断熱の間にフレームの上タンクを修正します。
4. 各プレートに 3 つのサーミスタ (0.01 ° C の温度の安定性) を挿入し、デジタルマルチメータに接続します。上部と下部の板の温度を監視するこれらのサーミスタを使用に注意してください。
5. タンク内微小導電率と温度計測器 (MSCTI) を配置、多機能データ集録 (MDA) に接続します。モーターを備えられた高精度翻訳段階 (MPTS) に MSCTI を修正します。
   注: 作動流体の水温・塩分プロファイルを達成できるように、MSCTI が垂直方向に移動して、上下に移動できます注意してください。ここで、MSCTI、0.01 ° C と塩分の安定性は 1% の温度安定性です。MPTS が 0.005 mm の位置精度です。
6. デジタルマルチメータと多機能データ集録、サンプリング レート、データ集録チャンネル ストレージ パスなどの対応するソフトウェア プログラムでパラメーターを設定します。ここでは、それぞれ 1.0 と 128 Hz としてデジタル マルチ メーターとマルチファンクションのデータ集録のサンプリング レートを設定します。
7. MPTS、初期位置を含む最低と最高の位置、移動速度、加速度、MSCTI のソフトウェア プログラムで移動パラメーターを設定します。ここでは、1 mm/秒と 0.5 mm/s²、移動の速度と加速度を設定し、20 と 220 mm 底板上に最小値と最大位置を設定します。これは 404 の MPTS の期間につながる上下測定のための s。低い位置で、MSCTI の初期位置を設定します。
8. 部屋の温度にほぼ一定な 2 つの高出力のエアコン (3000 W の作業力) 約 24 ° C に保ちます。

2. 光学機器

注: 実験中に DC 階段の進化が監視と満たされる影絵の手法をプロシージャの下

1. タンクの外側のトレーシング ペーパー (25.7 cm × 25.7 cm) の一部を添付します。
2. 狭いビームの LED ランプを光源として使用します。ほぼ平行光を生成することができますように、タンクの反対側から約 5 m の光のソースを配置します。了承 DC 実験中に流体構造の層が流体の密度変化 (屈折率の変化に対応する) のためトレーシング ペーパーに点灯します。
3. 高速ビデオカメラを透写紙の同じ側に配置します。フルサイズのタンクを持つ層状構造を記録できるので、タンクから約 1 m です。
4. ビデオカメラのサンプリング レートを設定します。サンプリング レートが階段の進化の詳細をキャプチャして適切なする必要がありますに注意してください。ここでは、ビデオカメラのサンプリング レートは、25 Hz です。
5. 電源ランプとビデオカメラと若干のポーションや距離を調整、画像をオフにするようにビデオカメラで取り込むことができます。

3. 作動流体

1. 2 つのタンクで生理食塩水と新鮮な水を準備します。
   1. それぞれの底からフレキシブル チューブ (外径 10 mm、内径 6 mm、長さ 10 cm) で 2 つの同じ長方形タンク (タンクおよびタンク B) に参加します。
   2. 塗りタンク塩水、塩 (すなわち、塩分濃度) の質量濃度は、この例では 60 g/kg です。
   3. 逆に包まれた新鮮な水の等量でタンク B を満たすし、電気磁気攪拌機を使用して連続的に流体を均一します。
   4. 両方のタンク内初期流体温度の室温 (24 ° C) と同じにしてください。
2. 現用戦車で線形密度成層を確立します。
   1. 二重タンク法²⁹を使用すると、現用戦車の塩水の初期の線形階層を確立できます。
   2. 現用戦車より高い 30 cm は、同じ高さにタンク A と B を配置します。お尻からタンク B と別の柔軟な管 (内径 2 mm、外径 5 mm、長さ 50 cm) の現用戦車に参加します。これらの 2 つのタンクで液圧差タンク B 内の液体は現用戦車にゆっくりと注入することができます。
   3. 0.45 mL で蠕動ポンプの流れの速度を制御/s. 注作業槽水充填の全体の時間は約 3 h²⁹に基づいて作業タンクの下部に塩分計算
      (1)
      ここ S_A, V, V₀タンク、現用戦車の最終液量とタンク A (または B) の初期の液量の塩分濃度は、それぞれ。S_B下部と上部に新鮮な水に塩分を使用して、初期階層 N₀の浮力の周波数は、します。
      (2)
      g は重力加速度、ρ₀は参照密度、β は塩分収縮係数。注 N₀は、この例では 1.14 rad/秒として計算されます。

4. 実験を実行しています。

1. 現用戦車の境界条件を設定します。
   1. トップ プレートの水室部を 8 等分プラスチック軟管 (内径 10 mm 外径 15 mm、長さ 150 cm) を使用した冷凍サーキュレータに接続します。トップ プレートの温度が冷蔵サーキュレータの温度に依存することに注意してください。部屋の温度 (24 ° C) と同じようにトップ プレートの温度を設定します。
   2. 底板内部電気加熱パッドを接続すると、直流電流を供給します。うに計算されるこの実験中にメモ一定熱流束は作動流体に提供されて
      (3)
      U、R、および A は供給電圧、電気抵抗、電気暖房の有効面積パッド、それぞれ。この例では抵抗と有効面積は、44.12 オームと 1.89 × 10^-2 m²。60 V、総熱量を F_h 4317 W/m²供給電圧を設定します。
2. フロー パターンを記録するビデオカメラを入れます。
3. デジタルマルチメータ、上部と下部のプレートと温度の温度と、MSCTI を使用して液の塩分濃度を監視する多機能データ集録を入れます。
4. 作動流体の温度と塩分濃度のプロファイルを達成するために上下に MSCTI を移動する MPTS を入れます。
5. 冷蔵サーキュレータと作動流体の上部と下部の境界条件を達成するために直流電源を入れます。
   メモ全体の実験は生成、開発、没入、および DC 階段の消失を経験し、それが続く約 5 時間。DC の階段の消失後、電源を切り、直流を供給、冷蔵サーキュレータ、MPTS、デジタルマルチメータ、多機能データ集録、ビデオカメラ順番。

5 データ処理

1. 影絵のイメージ
   1. Matlab プログラムを使用して、さらなる分析のための連続画像をビデオカメラで記録されたビデオを変換します。タンク内のフロー パターンを強調するためにこれらのイメージを調整します。どこ私として (x, z) は、デジタル画像の輝度を設定 (x, z) イメージの左下隅を原点との水平および垂直座標を示します。(X, z) に変化に注意してください (0, 1) 256 のグレーのレベルで。³⁰として各画像で背景イメージを正規化します。
      (4)
      どこ冷・暖房適用されて前に撮影した 10 の画像の平均輝度は、 i の強度を示すthイメージ。この方法で画像の静止した欠陥を削除できます。DC パターンの時間発展を検討するために各イメージを単一の縦強度変動プロファイルに変換できる、(すなわち強度の二乗) に沿ってイメージ強度変動を計算することによって、水平方向。強度変動分布をプロットDC 階段の進化を見るには時間の増加と共に連続画像。
2. 水温・塩分プロファイル
   1. この実験では上下移動 MSCTI で温度の鉛直分布と加工液の塩分濃度測定に注意してください。一時的な高さ、移動速度 w、時間 t、(最も低い位置に対応する) 開始時間 t₀ 、最も低い位置 h_L平均値を持つ MSCTI の時間 (t) を計算し、最高 h_H、として配置
      (5)
      どこは、MSCTI 期間最低 (最高値) から最高 (最低) の位置から移動、n そして δ は、それぞれ整数部と小数部。計算として一時的な高さの場合
      (6)
      方程式 (6)、n が偶数の場合のノートで、MSCTI は移動です。それ以外の場合、MSCTI は下に移動です。時間シリーズ温度 T(t) と垂直方向の水温・塩分プロファイルを取得する高さの場合の面で塩分 S(t) をプロットします。

結果

実験装置の概略図を図 1に示します。そのコンポーネントは、プロトコルのとおりです。主要部品、図 1 aに示すように、詳細な現用戦車は図 1 bに示すように。図 2は、下部 (T_b、赤色の曲線) と (T_t、黒の曲線) トップ プレートの温度変化を示しています。それは 2 つのプレートの温度は?...

ディスカッション

本稿で詳細な実験的プロトコルは矩形容器内熱塩 DC 階段構造をシミュレートに記載されます。作動流体の初期密度成層は、2 つのタンクのメソッドを使用して構築されます。トップ プレートは、一定の温度と熱流束一定の 1 つ下で保持されます。DC の階段は、生成、発展、没入、消失などの全体の進化プロセスは、影絵を用いた可視化し、高精度プローブにより温度と塩分濃度の差異を記録...

資料

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