Evolución de las estructuras de la escalera en convección difusión

Resumen

Difusión por convección (DC) se produce ampliamente en procesos naturales y aplicaciones de ingeniería, caracterizadas por una serie de escaleras con interfaces estratificadas y homogéneas capas convectiva. Un procedimiento experimental se describe para simular el proceso de evolución de la estructura de escalera de DC, incluyendo la generación, desarrollo y desaparición, en un tanque rectangular.

Resumen

Difusión por convección (DC) se produce cuando la vertical estratificado densidad es controlada por dos opuestos gradientes escalares que diffusivities moleculares muy diferentes, y los gradientes escalares difusividad más grandes y más pequeñas tienen positivo y negativo contribuciones para la distribución de la densidad, respectivamente. El CC ocurre en muchos procesos naturales y aplicaciones de ingeniería, por ejemplo, la oceanografía, la astrofísica y la metalurgia. En los océanos, una de las características más notables de DC es que los perfiles verticales de temperatura y salinidad son escalera-como la estructura, compuesta de pasos consecutivos con gruesas capas de convección homogéneas e interfaces relativamente delgadas y alta gradiente. Las escaleras de DC se han observado en muchos océanos, especialmente en el Ártico y océanos antárticos y juegan un papel importante en la circulación de los océanos y el cambio climático. En el océano Ártico, existen escaleras DC toda la cuenca y persistentes en los océanos superiores y profunda. El proceso de la DC tiene un efecto importante sobre la diapicna de mezcla en el océano superior y puede influir significativamente en el deshielo superficial. En comparación con las limitaciones de las observaciones de campo, experimento de laboratorio demuestra su ventaja única para examinar eficazmente los procesos dinámicos y termodinámicos en DC, porque pueden ajustarse estrictamente las condiciones de límite y los parámetros controlados. Aquí, un protocolo detallado se describe para simular el proceso de evolución de la estructura de escalera de DC, incluyendo su generación, desarrollo y desaparición, en un tanque rectangular con agua salina estratificado. La disposición experimental, proceso de evolución, análisis de datos y discusión de resultados se describen en detalle.

Introducción

Doble difusión convección (DDC) es uno de los más importantes procesos de mezcla vertical. Ocurre cuando la distribución de densidad vertical de la columna de agua estratificada es controlada por gradientes de dos o más componentes escalares de direcciones opuestas, donde los componentes tienen distintamente diferente diffusivities molecular¹. Ocurre ampliamente en Oceanografía², ambiente³, geología⁴, Astrofísica⁵, ciencia de los materiales⁶, metalurgia⁷y ingeniería arquitectónica⁸

Protocolo

1. trabajo de tanque

Nota: El experimento se lleva a cabo en un tanque rectangular. El depósito incluye las placas superior e inferior y una pared lateral. Las placas superior e inferior están hechas de cobre con superficie galvanizado. Hay una cámara de agua dentro de la placa superior. Una almohadilla de calefacción eléctrica se inserta en la placa inferior. La pared lateral está fabricada en plexiglás transparente. El tamaño del tanque es L_x = 257 mm (longitud),_y = 65 mm (ancho) y L_z = 257 mm (altura). El espesor de la pared lateral es de 9,5 mm.

1. Limpie las placas de cobre y la pared de plexiglá....

Resultados

La figura 1 muestra el esquema de la instalación experimental. Sus componentes se describen en el protocolo. Las partes principales se muestran en la Figura 1a y el tanque de trabajo detallado se muestra en la Figura 1b. La figura 2 muestra los cambios de temperatura en la parte inferior (T_b, la curva roja) y las placas de la parte superior (T_t, la curva negra). Se indica que la t.......

Discusión

En este trabajo se describe un protocolo experimental detallado para simular las estructuras termohalina C.C. escalera de un tanque rectangular. Una estratificación de densidad lineal inicial del fluido de trabajo se construye mediante el método de dos tanques. La placa superior se mantiene a una temperatura constante y la parte inferior en el flujo de calor constante. El proceso de la evolución entera de la escalera de la DC, incluyendo su generación, desarrollo, mergence y desaparición, son visualizados con la té.......

Materiales

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