Эволюция структур лестница в диффузионном конвекции

Резюме

Диффузионное конвекции (DC) широко встречается в природных процессов и инженерных приложений, характеризуется серия лестницы с однородной convecting слои и стратифицированной интерфейсов. Экспериментальная процедура описана для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая создание, развитие и исчезновения, в прямоугольный бак.

Аннотация

Диффузионное конвекции (DC) происходит, когда вертикальной стратифицированной плотность находится под контролем двух противоположных скалярных градиенты, которые имеют явно различных молекулярных diffusivities, и Градиенты скалярный большего и меньшего температуропроводности имеют положительные и отрицательные взносы для распределения плотности, соответственно. DC происходит во многих природных процессов и инженерных приложений, например, океанографии, астрофизики и металлургии. В океанах один из самых замечательных особенностей DC является вертикальные профили температуры и солености лестница как структура, состоящая из последовательных шагов с густой однородной convecting слои и сравнительно тонкий и высокой градиент интерфейсов. DC лестницы были отмечены многие океанов, особенно в Арктике и Антарктике океанов и играть важную роль в циркуляции вод океана и изменения климата. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов. Процесс DC имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на поверхностного таяния льда. По сравнению с ограничениями полевых наблюдений, лабораторный эксперимент показывает свое уникальное преимущество для эффективного изучения динамических и термодинамических процессов в DC, потому что строго регулируется граничных условий и контролируемых параметров. Здесь подробный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая его поколения, развития и исчезновения, в прямоугольный бак стратифицированной соленой водой. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов.

Введение

Двухместный диффузионное конвекции (DDC) является одним из наиболее важных процессов, вертикального перемешивания. Это происходит, когда вертикальной плотности распределения столбце стратифицированной воды контролируется два или более Градиенты скалярный компоненты противоположных направлений, где компоненты имеют совершенно разные молекулярной diffusivities¹. Он широко встречается в океанографии², атмосферу³, геологии⁴, астрофизика⁵, материальная наука⁶, металлургии⁷и архитектурных инженерных⁸. DDC присутствует почти в половине из мирового океана, и он имеет существенное влияние на океанические процессы многомасштабной и даже климатические изменения⁹.

Существует два основных режима для DDC: соль палец (SF) и диффузионного конвекции (DC). SF возникает, когда теплой соленой воде массы перекрывает кулер, свежей воды в стратифицированном окружающей среды. Когда тепло и соленой воде лежит ниже чистой, холодной воды, образуют DC. Замечательной особенностью DC является то, что вертикальные профили температуры, солености и плотности лестница как, составленный alternant однородных convecting слои и тонкий, сильно стратифицированной интерфейсов. DC в основном происходит в высокоширотных океанах и некоторых внутренних соленых озер, таких как Арктики и Антарктики океанов, Охотского моря, Красного моря и Африканского озеро Киву¹⁰. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов^11,12. Он имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на-таяния льда, который недавно вызывает все больше и больше интересов в океанографии сообщества¹³.

Структура лестница DC был впервые обнаружен в Северном Ледовитом океане в 1969 году¹⁴. После этого, Падман и Диллон¹⁵Тиммерманс и др. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Чжоу и Лу¹², Гатри и др. ¹⁷, Bebieva и Тиммерманс¹⁸и Шибли и др. ¹⁹ измеряется DC лестницы в различных бассейнах Ледовитого океана, включая вертикальных и горизонтальных шкал convecting слоя и интерфейс, глубина и общая толщина лестницы, вертикальной теплообмен, DC процессов в мезомасштабные вихревые и временных и пространственных изменений структуры лестница. Шмид и др. ²⁰ и Sommer и др. ²¹ наблюдается DC лестницы с помощью профилировщика микроструктуры в озере Киву. Они сообщили основная структура функций и потоков тепла DC и сравнении потоков измеренного тепла с существующие параметрические формулой. С компьютерной обработки улучшение скорости численное моделирование DC недавно было сделано, например, для изучения интерфейс структура и нестабильности, передача тепла через интерфейс, слой слияния событий и так далее^{22, 23 , 24}.

Поля наблюдений позволило значительно расширить понимание океана DC для океанографов, но измерения сильно ограничены неопределенного океанических потока сред и инструментов. Например интерфейс DC имеет крайне небольшой вертикальный масштаб, тоньше, чем 0,1 м в некоторых озерах и океанов²⁵, и необходимы некоторые специальные инструменты высокого разрешения. Лабораторный эксперимент показывает свои уникальные преимущества в изучении основных динамических и термодинамических законы постоянного тока. С лаборатории эксперимента можно наблюдать эволюцию DC лестницы, измерить температуру и соленость и предложить некоторые параметризации для океанических приложений^26,27. Кроме того, в лаборатории эксперимента, контролируемые параметры и условия легко корректируются по мере необходимости. К примеру Тёрнер сначала моделируется DC лестница в лаборатории в 1965 году и предложил параметризации передачи тепла через диффузионное интерфейс, который был часто обновляется и широко используются в в situ океанических наблюдений²⁸ .

В этом документе подробный экспериментальный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестницы, включая поколения, развития и исчезновения, в стратифицированном соленой воды, нагревают снизу. Температура и соленость измеряются инструмента микро масштабе, а также DC лестницы, отслеживаемых с помощью метода shadowgraph. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов. Изменяя первоначальный и граничных условий, нынешней экспериментальной установки и метод может использоваться для моделирования других океанических явлений, таких как океанические горизонтальных конвекции, глубоководных гидротермальных извержения, углубление поверхности перемешанный слой, эффект подводная лодка геотермальных на циркуляции в океане и так далее.

протокол

1. Рабочая танк

Примечание: Эксперимент осуществляется в прямоугольный бак. Танк включает верхнюю и нижнюю пластины и боковой стенки. Верхней и нижней пластины изготовлены из меди с гальваническим покрытием. Существует воды камеры в верхней пластины. Электрическая грелка вставляется в нижней плиты. Боковой стенке выполнен из прозрачной оргстекла. Размер бака-L_x = 257 мм (длина), L_y = 65 мм (ширина) и L_z = 257 мм (высота). Толщина обечайки-9,5 мм.

1. Очистите медных пластин и боковины оргстекло тщательно с дистиллированной водой.
2. Соберите танк с помощью винтов, чтобы обеспечить, что цистерна герметична воды.
3. Установить несущую рамку из нержавеющей стали (высота 150 мм) на таблицы оптики и исправить танк выше кадр с теплоизоляционные плиты в период, который ограничивает утечка тепла из бака рабочую таблицу.
4. Вставьте три термисторы (постоянство температуры 0,01 ° C) в каждой пластины и подключить их к цифровой мультиметр. Обратите внимание, что эти термисторы используются для контроля за температурами верхней и нижней плиты.
5. Поместите микро-масштабе проводимости и температуры инструмента (MSCTI) внутри бака и подключить его к категории Многофункциональные приобретение данных (MDA). Исправьте MSCTI стадии моторизованных точность перевода (MPTS).
   Примечание: Обратите внимание, что MSCTI могут быть перемещены вверх и вниз на движущемся вертикально, чтобы достичь профилей температуры и солености рабочей жидкости. Здесь MSCTI имеет стабильность температуры 0,01 ° C и солености стабильности 1%. MPTS имеет точность позиционирования 0,005 мм.
6. Установите параметры в соответствующие программы программного обеспечения цифровой мультиметр и категории Многофункциональные сбора данных, таких как дискретизации, каналы приобретения данных и хранения пути. Здесь установите частоту выборки цифровой мультиметр и сбора данных категории Многофункциональные 1.0 и 128 Гц, соответственно.
7. Перемещение параметров в программе из MPTS, включая начальное положение, низкие и высокие позиции, перемещая скорость и ускорение, MSCTI. Здесь, установите скорость перемещения и ускорение 1 мм/сек и 0.5 мм/s²и установите низкие и высокие позиции как 20 и 220 мм выше нижней плиты. Это приводит к временной период MPTS 404 s для измерения вверх вниз. Задайте начальное положение MSCTI в самом нижнем положении.
8. Держите комнатной температуре почти постоянной около 24 ° C с двух мощных кондиционеров (Рабочая мощность 3000 Вт).

2. оптические приборы

Примечание: Во время эксперимента, эволюция DC лестница будет контролироваться с shadowgraph техникой, которая выполняется с ниже процедуры

1. Прикрепите кусок кальку (25,7 x 25,7 см) на внешней стороне бака.
2. Используйте Светодиодные лампы узкого луча как источника света. Место источник света около 5 м от другой стороне бака, так что почти коллимированных свет может быть создан. Обратите внимание, что в ходе эксперимента DC слоистых жидкости структуры горит на кальку из-за изменения плотности (соответствующие изменения преломления) жидкости.
3. Место Высокоскоростные видеокамеры на той же стороне кальку. Это около 1 м от танка, так, что слоистых структурах с полноразмерных танк может быть записан.
4. Задайте частоту выборки видеокамеры. Обратите внимание, что частота выборки должны быть надлежащим захватить деталь лестницы эволюций. Дискретизации видеокамера вот 25 Гц.
5. Включите лампу и видеокамера и слегка скорректировать свои зелья и расстояния, обеспечить четкие изображения может быть захвачен видеокамеру.

3. рабочей жидкости

1. Подготовьте соленой и пресной воды в двух стальных резервуарах.
   1. Присоединиться к два одинаковых прямоугольных танков (танк A и танк B), гибкой трубки (10 см в длину, внутренний диаметр 6 мм и внешним диаметром 10 мм) от дна каждого из них.
   2. Заполнить бак A с соленой водой, его Массовая концентрация соли (то есть, соленость) — 60 г/кг в этом примере.
   3. Заполнить бак B с равным объемом де газированные пресной воды и использовать электрические магнитной мешалкой, чтобы непрерывно однородности жидкости.
   4. Держите начальная температура жидкости в пределах обоих танков так же, как температура в помещении (24 ° C).
2. Создание стратификации линейной плотности в рабочей емкости.
   1. Используйте метод двойной танк²⁹ установить первоначальный линейной стратификации соленой воды в баке рабочих.
   2. Место на той же высоте, которая составляет 30 см выше, чем бак рабочей танк A и B. Присоединяйтесь к танк B и рабочие танк с другой гибкой трубки (50 см в длину, внутренний диаметр 2 мм и внешним диаметром 5 мм) от их дно. Из-за разницы давления жидкости в этих двух танков жидкости в баке B может медленно вводят в бак рабочей.
   3. Контролировать скорость потока с Перистальтический насос на 0,45 мл/s. Обратите внимание все время вода заполнения для бак рабочей составляет около 3 ч Calculate, соленость воды в нижней части бака рабочей основе²⁹
      (1)
      где S_A, V и V₀ , соленость бака A, окончательный объем жидкости бака рабочих и первоначальный объем жидкости из бака A (или B), соответственно. Плавучесть частота первоначальных стратификации N₀ является использование соленость в пресной воды в верхней и нижней S_B ,
      (2)
      где g — ускорение свободного падения,₀ ρ — плотность ссылки и β-коэффициент сокращения солености. Примечание N₀ рассчитывается как 1.14 rad/s в этом примере.

4. запуск эксперимента

1. Установите граничные условия для рабочих танка.
   1. Подключение воды палата верхней пластины для охлажденных термостат с восьми равномерно распределенных пластиковые мягкие трубы (150 см в длину, 10 мм, внутренний диаметр и внешним диаметром 15 мм). Обратите внимание, что температура верхней пластины зависит от температуры охлажденного термостата. Установите температуру верхней пластины, чтобы быть таким же, как температура в помещении (24 ° C).
   2. Подключение электрической грелки внутри нижней плиты к тока питания. Представлена записка Постоянного теплового потока рабочей жидкости в ходе этого эксперимента, который рассчитывается как
      (3)
      где U, R и A подаваемого напряжения, электрическое сопротивление и эффективная площадь электрическое отопление pad, соответственно. В этом примере, сопротивление и эффективная площадь являются 44.12 ом и 1,89 × 10^-2 m². Установите подаваемого напряжения, как 60 V, так что общей тепловой поток F_h 4317 Вт/м².
2. Включите камеру для записи потока шаблон.
3. Включите цифровой мультиметр, категории Многофункциональные сбора данных для мониторинга температуры верхней и нижней пластины и температуры и солености жидкости с помощью MSCTI.
4. Включите MPTS для перемещения вверх и вниз для достижения профили температуры и солености рабочей жидкости MSCTI.
5. Включите охлажденных термостат и питания постоянного тока для достижения верхней и нижней граничных условий рабочей жидкости.
   Примечание: Обратите внимание, что всего эксперимента будут испытывать поколения, развития, слиянию и исчезновение DC лестницы, и это будет длиться около 5 часов. После исчезновения всех DC лестницы выключите питания постоянного тока, сверхнизкого, MPTS, цифровой мультиметр, категории Многофункциональные сбора данных и видеокамера в свою очередь.

5. обработка данных

1. Shadowgraph изображения
   1. Используйте программу Matlab для преобразования видео, записанные видеокамера для последовательных изображений для дальнейшего анализа. Адаптировать эти образы для акцентирования картина течения внутри цистерны. Установите необходимую интенсивность цифрового изображения как I (x, z), где (x, z) обозначает горизонтальных и вертикальных координат с началом в левом нижнем углу изображения. Обратите внимание, я (x, z) варьируется (0, 1) с уровень серого цвета 256. Нормализовать каждое изображение на фоновое изображение как³⁰
      (4)
      где является интенсивность средняя изображения более 10 изображений, снятых до охлаждения и нагрева применяются, обозначает интенсивность яй изображение. Таким образом могут быть удалены стационарных дефекты на изображениях. Для того, чтобы изучить временной эволюции шаблон DC, каждое изображение может быть преобразован в одной вертикальной интенсивности колебаний профиль, , путем расчета колебаний интенсивности изображения (т.е., корень значит квадрат интенсивности) вдоль горизонтальном направлении . Участок профили колебания интенсивности последовательных изображений вместе с увеличивая время, чтобы показать эволюций DC лестницы.
2. Профилей температуры и солености
   1. Обратите внимание в этом эксперименте вертикальных профилей температуры и солености рабочей жидкости измеряются MSCTI движущиеся вверх вниз. Рассчитать височной высоту, h(t), о MSCTI с означает перемещение скорость w, время t, начальное время t₀ (соответствующий в самое низкое положение), низкие позиции h_L и наивысшая позиция h_H, как
      (5)
      где MSCTI движется период от низкой (высокий), высокий (низкий) позиции, n и δ являются целой и дробной частей, соответственно. Затем вычислите височной высота h(t) как
      (6)
      Примечание в уравнение (6), если n — даже, MSCTI движется вверх; в противном случае MSCTI движется вниз. Участок время серии температуры T(t) и солености S(t) с точки зрения высоты h(t) получить вертикальные профили температуры и солености.

Результаты

На рисунке 1 показана схема экспериментальной установки. Его компоненты описаны в протоколе. Основные части показаны на рисунке 1a и подробные рабочие танк показано на рисунок 1b. Рисунок 2 показывает изменения температуры ...

Обсуждение

В настоящем документе описывается подробный экспериментальный протокол для имитации термохалинной структуры лестница DC в прямоугольный бак. Первоначальный линейной плотности стратификации рабочей жидкости построен с использованием метода двух танк. Верхняя плита хранится в постоя...

Материалы

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