퍼지는 대류에 계단 구조의 진화

요약

널리 퍼지는 대류 (DC) 자연 처리와 균질 convecting 레이어 층 화 인터페이스와 계단의 시리즈 특징 엔지니어링 응용 프로그램에 발생 합니다. 실험적인 절차 직사각형 탱크에서 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 DC 계단 구조의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다.

초록

밀도 엄연히 다른 분자 diffusivities, 스칼라 그라디언트 반대 2에 의해 제어 됩니다 있고 큰-와 더 작은-확산 스칼라 그라디언트 부정적이 고 긍정적인 방산 대류 (DC) 수직 층 화 때 발생 밀도 분포에 대 한 기여 각각. DC는 많은 자연 프로세스 및 엔지니어링 응용 프로그램, 예를 들면, 해양학, 천체 물리학 및 야 금에서 발생합니다. 바다에서 DC의 가장 놀라운 기능 중 하나입니다 수직 온도 염 분 프로필 계단 모양의 구조, 두꺼운 균질 convecting 레이어 및 상대적으로 얇고 높은 그라데이션 인터페이스 연속 단계 구성. DC 계단 북극과 남극 바다에 특히 많은 바다에서 관찰 되었습니다 그리고 바다 순환과 기후 변화에 중요 한 역할. 북극 바다에서 유역 및 영구 DC 계단 위와 깊은 바다에 존재 한다. DC 프로세스 diapycnal 위 바다에서 혼합에 대 한 중요 한 효력이 있으며 크게 표면 얼음 녹는 영향을 미칠 수 있습니다. 경계 조건 및 제어 매개 변수 엄격 하 게 조정 될 수 있기 때문에 필드 관측의 한계에 비해, 실험실 실험 dc, 역동적이 고 열역학적 과정을 효과적으로 검사 하는 독특한 장점을 보여줍니다. 여기, 상세한 프로토콜의 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 층 화 염 분 물으로 채워진 직사각형 탱크에서 DC 계단 구조의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다. 실험적인 체제, 진화 과정, 데이터 분석 및 토론 결과의 세부 사항에 설명 합니다.

서문

이중 방산 대류 (DDC) 가장 중요 한 수직 혼합 프로세스 중 하나입니다. 그것은 반대 방향으로 구성 요소는 분명히 다른 분자 diffusivities¹의 두 개 이상의 스칼라 구성 요소 기울기로 층 화 물 란의 수직 밀도 분포 제어 됩니다 때 발생 합니다. 그것은 널리 해양학², 분위기³, 지질학⁴,⁵천체 물리학, 재료 과학⁶, 야 금⁷및 건축 공학⁸에서 발생합니다. DDC는 세계 바다의 거의 절반에 그리고 해양 다중 스케일 프로세스와⁹도 기후 변화 중요 한 영향.

DDC에 대 한 두 가지 기본 모드가 있습니다: 손가락 (SF)와 퍼지는 대류 (DC) 소금. SF 발생 때 따뜻하고, 짠 물 질량 overlies 층 화 환경에서 쿨러, 신선한 물. 따뜻하고 짠 물 추위와 신선한 물 아래 거짓말, DC 형성할 것 이다. DC의 놀라운 기능은 온도, 염 분, 밀도의 수직 단면도 계단 같은 동질적인 레이어와 얇은, 강하게 층 화 인터페이스 convecting alternant에 의해 구성. 주로 DC 오호츠크 해, 홍 해 및 아프리카 고 마 호수¹⁰높은 위도 바다와 북극과 남극 바다 등 일부 인테리어 소금 호수에서 발생합니다. 북극 바다에서 유역 및 영구 DC 계단 위와 깊은 바다^11,12에서 존재 한다. Diapycnal 위 바다에서 혼합에 대 한 중요 한 효력이 있으며 크게 얼음-녹는, 최근 해양학 사회¹³에 점점 더 많은 관심을 자극 하는 영향을 미칠 수 있습니다.

DC 계단 구조 1969¹⁴북극해에서 처음 발견 되었다. 그, Padman & 딜 론¹⁵, 후 Timmermans 외. ¹¹, Sirevaag & 그다지¹⁶, 저 우 & 루¹², 오클라호마 외. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸, 그리고 Shibley 외. ¹⁹ 세로 포함 하 여 북극해의 다른 분 지에 DC 계단 측정 및 수평 저울 convecting 레이어 및 인터페이스, 깊이 계단의 총 두께의 수직 열 전달, DC 프로세스에서 mesoscale 에디 고 계단 구조의 시간적, 공간적 변화. 슈미트 외. ²⁰ 와 서머 외. ²¹ 고 마 호수에 미세 프로파일러를 사용 하 여 DC 계단을 관찰. 그들은 주요 구조 기능 및 DC의 열 플럭스를 보고 하 고 기존 패라메트릭 수식으로 측정된 열 플럭스를 비교. 컴퓨터 처리 속도 개선, DC의 수치 시뮬레이션 최근 완료 되었습니다, 그리고 예를 들어 인터페이스 검사 구조와 불안정, 인터페이스를 통해 열 전달 레이어 병합 이벤트^{22, 23 , 24}.

필드 관측은 크게 바다 DC 따옴표에 대 한 이해 향상 되지만 측정은 강하게 불확정 해양 흐름 환경 및 악기. 예를 들어 DC 인터페이스는 매우 작은 수직 규모 일부 호수와 바다²⁵, 0.1 m m 보다 얇은 있으며 몇 가지 특별 한 고해상도 악기 필요 하다. 실험실 실험 DC의 기본 동적 및 열역학 법칙을 탐험에 그것의 독특한 장점을 보여줍니다. 실험실 실험 하나 고 수 있습니다 DC 계단의 진화를 관찰, 측정 온도 염 분, 해양 응용^26,27에 대 한 일부 매개 변수화를 제안. 또한, 실험실 실험에서 제어 변수와 조건을 쉽게 조정 필요에 따라. 터너 처음 1965 년에 실험실에서 DC 계단을 시뮬레이션 하 고 자주 업데이 트 에 현장 해양 관측^{28에에서 광범위 하 게 사용 되는 방산 인터페이스를 통해 열 전달 매개 변수화 제안 예를 들어} .

이 문서에 자세한 실험 프로토콜 아래에서 열 층 화 염 분 물에서 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 DC 계단의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다. 온도 염 분 마이크로 스케일 악기 shadowgraph 기법으로 모니터링 되 고 있는 DC 계단에 의해 측정 됩니다. 실험적인 체제, 진화 과정, 데이터 분석 및 토론 결과의 세부 사항에 설명 합니다. 초기 조건과 경계를 변경 하 여 현재 실험적인 체제 및 방법을 사용할 수 있는 다른 해양 현상, 해양 수평 대류, 심해 열 수 분출, 표면 혼합된 층 심화,의 효과 시뮬레이션 잠수함에 해양 순환, 지 열.

프로토콜

1. 근무 탱크

참고: 실험 직사각형 탱크에서 수행 됩니다. 탱크 상단 및 하단 판과 측 벽에 포함 되어 있습니다. 상단 및 하단 플레이트 구리 전기 도금 표면 만들어집니다. 상단 플레이트 내에서 물 약 실이 있다. 전기 열 패드 하단 플레이트에 삽입 됩니다. 측 벽의 투명 한 유리 야 이루어집니다. 탱크 크기는 L_x 257 mm (길이), L_y = = 65 m m (폭) 및 L_z = 257 mm (높이). 측 벽의 두께 9.5 m m 이다입니다.

1. 구리 판과 증류수와 신중 하 게 유리 측 벽을 청소.
2. 탱크는 탱크 방수 되도록 나사를 조립 한다.
3. 광학 테이블에 스테인리스 스틸 지원 프레임 (150 m m의 높이)를 설정 하 고 테이블에 작업 탱크에서 열 누설을 제한 하는 슬 래 브 사이 절연 열 프레임 위에 탱크를 수정.
4. 각 접시에 3 개의 서미스터 (0.01 ° C의 온도 안정성)을 삽입 하 고 디지털 멀티 미터에 연결. Note이 서미스터는 상단 및 하단 플레이트의 온도 모니터링 하는 데 사용 됩니다.
5. 마이크로 스케일 전도도 및 온도 계기 (MSCTI)는 탱크 내부 놓고 다기능 데이터 수집 (MDA)에 연결 합니다. 동력된 정밀 번역 단계 (MPTS)에 MSCTI를 수정 합니다.
   참고: Note는 MSCTI 수 있습니다 수직으로 이동 하 여 아래로 이동할 수 있도록 작업 액체의 온도 염 분 단면도 달성 하는. 여기는 MSCTI는 1%의 0.01 ° C와 염 분 안정성의 온도 안정성. MPTS 0.005 m m의 위치 정확도 있다.
6. 디지털 멀티 미터와 다기능 데이터 수집, 샘플링 속도, 데이터 수집 채널 및 저장 경로 등의 해당 소프트웨어 프로그램에 매개 변수를 설정 합니다. 여기, 디지털 멀티 미터 및 다기능 데이터 수집의 샘플링 속도 1.0 및 128 Hz로 각각 설정.
7. MPTS, 초기 위치를 포함 하 여 최저 / 최고 위치, 속도 및 가속도 MSCTI의 이동의 소프트웨어 프로그램에서 이동 매개 변수를 설정 합니다. 여기, 1 mm/s와 0.5 m m/s², 이동 속도 가속도 설정 하 고 아래 접시 위에 20, 220 m m로 최저 / 최고 위치를 설정 합니다. 이것은 404 MPTS의 기간에는 업 다운 측정에 대 한 s. 가장 낮은 위치에 있는 MSCTI의 초기 위치를 설정 합니다.
8. 계속 실내 온도 거의 일정 한 두 개의 고 전력 에어컨 (3000 W의 작동 힘) 약 24 ° C.

2. 광학 장치

참고:, 실험 기간 동안 DC 계단의 진화 것 모니터링으로 성취 shadowgraph 기법으로는 절차 아래

1. 탱크의 외부에 추적 종이 (25.7 cm x 25.7 cm)를 연결 합니다.
2. 좁은 빔 LED 램프를 사용 하 여 광원으로. 거의 조명을 생성 될 수 있도록, 탱크의 다른 측면에서 광원 약 5 m를 놓습니다. 실험 DC 동안 유체 구조 계층은 액체의 밀도 변화 (굴절 색인의 변화에 대응 하는) 때문에 추적 종이에 조명.
3. 추적 용지의 같은 면에 고속 캠코더를 놓습니다. 그것은 탱크에서 약 1 m 대형 탱크와 계층된 구조를 기록 될 수 있도록입니다.
4. 캠코더의 샘플링 레이트를 설정 합니다. 참고 샘플링 속도 계단 발전의 세부 사항을 캡처하고 적절 한 이어야 한다. 여기, 캠코더의 샘플링 레이트 25 Hz입니다.
5. 램프와 캠코더, 그리고 약간 그들의 묘약과 거리를 조정, 그 이미지를 지우기 위해 캠코더에서 캡처할 수 있습니다.

3입니다. 작동 유체

1. 2 개의 탱크에 식 염 수와 신선한 물 준비.
   1. 각자의 하단에서 유연한 튜브 (10 ㎝ 길이, 내경 6 m m 외경 10 m m에)에 의해 두 개의 동일한 직사각형 탱크 (탱크 A와 탱크 B) 가입.
   2. 염 분 물, 소금 (즉, 염 분)의 대량 농도와 채우기 탱크 A 60 g/kg이 예제에서입니다.
   3. 드 기름 신선한 물의 동등한 양으로 탱크 B와 전기 자력을 사용 하 여 지속적으로 균질 액체.
   4. 실내 온도 (24 ° C)와 같은 두 탱크 내에서 초기 유체 온도 유지.
2. 일 탱크에서 선형 밀도 계층을 설정 합니다.
   1. 더블 탱크 방법²⁹ 를 사용 하 여 작업 탱크에서 염 분 물의 초기 선형 계층을 설정.
   2. 30 cm 작업 탱크 보다는 같은 높이에 탱크 A와 B를 배치 합니다. 그들의 바닥에서 다른 유연한 튜브 (2 m m 내부 직경에서 및 외부 직경에서 5 m m, 길이 50cm) 작업 탱크 탱크 B 가입. 이 두 탱크의 유체 압력 차이로 인해 유체 탱크 B에에서 천천히 작업 탱크에 주입 수 있습니다.
   3. 0.45 mL에서 연동 펌프 흐름의 속도 제어/미 참고 전체 물 작업 탱크에 대 한 시간은 약 3 헤 일 탱크의 바닥에 염 분²⁹ 에 따라 계산
      (1)
      어디 S_A, V와 V₀ 는 염 분 탱크, 작업 탱크의 최종 유체 볼륨 및 탱크 A (또는 B)의 초기 유체 볼륨의 각각. S_B 아래쪽과 위쪽에 신선한 물에는 염 분을 사용 하 여, 초기 계층 N₀ 의 부 력 주파수는
      (2)
      여기서 g는 중력 가속도, ρ₀ 기준 밀도 이며 β 염 수축 계수입니다. 참고 N₀ 이 예에서 1.14 rad/s로 계산 됩니다.

4. 실험 실행

1. 작업 탱크에 대 한 경계 조건을 설정 합니다.
   1. 상단 플레이트의 물 방 8 균일 하 게 분산된 플라스틱 부드러운 튜브 (10 mm 안 직경 및 외부 직경에서 15 mm, 길이 150 cm)와 함께 냉장된 circulator에 연결 합니다. 참고 맨 위에 접시의 온도 냉장된 circulator의 온도에 따라 달라 집니다. 실내 온도 (24 ° C)로 동일 하 게 상단 플레이트의 온도 설정 합니다.
   2. 직류 공급 하단 플레이트 내부 전기 난방 패드를 연결 합니다. 참고 열 유량으로 계산 된이 실험 동안 작동 유체에 제공 됩니다.
      (3)
      곳에 U, R 및 A는 공급된 전압, 전기 저항 및 전기 난방의 효과적인 지역 패드, 각각. 이 예제에서 저항 및 효과적인 지역은 44.12 옴, 1.89 × 10^-2 m². 60 V, 그래서 총 열 플럭스 F_h 는 4317 W/m²으로 제공 된 전압을 설정 합니다.
2. 흐름 패턴을 기록 하는 캠코더를 켜십시오.
3. 디지털 멀티 미터, 다기능 데이터 수집 위쪽 및 아래쪽 접시와 온도의 온도 염 분 액체는 MSCTI를 사용 하 여 모니터를 켭니다.
4. 위쪽 및 아래쪽 작업 액체의 온도 염 분 프로필을 달성 하기 위해 MSCTI를 이동 MPTS 켭니다.
5. 냉장된 circulator 및 작동 유체의 위쪽 및 아래쪽 경계 조건 달성 하기 위해 직접 전류 공급을 켭니다.
   참고: 참고는 생성, 개발, mergence, 및 DC 계단의 모든 실험 경험 하 고 그것은 지속 될 것 이다 대략 5 시간. 모든 DC 계단의 실종 후 해제는 직접 전류 공급, 냉장 Circulator, MPTS, 디지털 멀티 미터, 다기능 데이터 수집, 그리고 캠코더에.

5입니다. 데이터 처리

1. Shadowgraph 이미지
   1. Matlab 프로그램을 사용 하 여 추가 분석을 위해 연속 이미지를 캠코더로 녹화 된 비디오를 변환. 이러한 이미지는 탱크 내의 흐름 패턴을 강조를 조정할. 설정 디지털 이미지 강도 나로 (x, z), 어디 (x, z)는 이미지의 왼쪽 아래 모서리에 원점 가진 가로 및 세로 좌표를 나타냅니다. (X, z)에 따라 다릅니다 참고 (0, 1) 256 회색 수준. ³⁰ 으로 배경 이미지를 각 이미지 표준화
      (4)
      어디 10 이미지 적용 되 고, 난방 및 냉각 하기 전에 찍은 평균 이미지 강도 i의 강도 나타냅니다번째 이미지. 이 방법으로 이미지에 고정 된 결함을 제거할 수 있습니다. DC 패턴의 시간적 진화를 시험 하기 위하여 각 이미지 변환할 수 있습니다 하나의 수직 강도 변동 프로 파일, , 이미지 강도 변동 따라 (즉, 루트-의미-스퀘어 강도의)를 계산 하 여는 수평 방향 . 플롯 강도 변동 프로필 DC 계단의 발전을 표시 하는 시간을 증가 함께 연속 이미지의.
2. 온도 염 분 프로필
   1. 이 실험에서 온도의 수직 단면도 및 작업 액체의 염 분-아래로 움직이는 MSCTI에 의해 측정 됩니다. 시간 높이, 평균 이동 속도 w, 시간 t는 시작 시간 t₀ (가장 낮은 위치에 해당), 최저 위치 h_L 함께 MSCTI의 함수로 계산 하 고 가장 위치_H, h
      (5)
      어디 는 MSCTI 이동 기간 최저 (최고) 가장 높은 (낮은) 위치에서 n δ는 각각 정수 부분과 소수 부분. 다음으로 시간적 높이 함수로 계산
      (6)
      방정식 (6), n은 심지어 경우에 참고는 MSCTI는 이동 그렇지 않은 경우는 MSCTI 아래로 움직이고 있다입니다. 시간 시리즈 온도 T(t)와 염 분 S(t) 수직 온도 염 분 프로필을 높이 함수로 측면에서 플롯 합니다.

결과

그림 1 실험 설치의 회로도 보여준다. 구성은 프로토콜에서 설명 합니다. 주요 부품 그림 1a 에 표시 되 고 자세한 작업 탱크 1b를 그림에 표시 됩니다. 그림 2 (T_b, 빨간 곡선) 아래와 위쪽 (T_t, 검은 곡선) 접시에 온도 변화를 보여준다. 그것 두 접시의 온도 실내 온도 (24 ° C)와 거의 같은 처음 표...

토론

이 문서에 자세한 실험 프로토콜 직사각형 탱크에 thermohaline DC 계단 구조 시뮬레이션을 설명 합니다. 작업의 초기 선형 밀도 층 리 2 탱크 메서드를 사용 하 여 생성 됩니다. 상단 플레이트는 일정 한 온도 열 유 속에서 하단 하나에 유지 됩니다. Shadowgraph 기술 등의 생성, 개발, mergence, 실종, DC 계단의 전체 진화 과정 시각화는 고 온도 염 분의 분산이 높은 정확도 조사에 의해 기록 된다. 이러한 측정...

자료

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