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. DDC está presente en casi la mitad del océano global, y tiene efectos importantes sobre los procesos oceánicos de varias escalas y cambios climáticos incluso⁹.

Hay dos modos primarios de DDC: dedo (SF) y la difusión por convección (DC) de la sal. SF se produce cuando un agua tibia y salada masa cubre agua más fresco, más fresco en el ambiente estratificado. Cuando el agua caliente y salado se encuentra por debajo del frío y de agua dulce, forman el DC. La característica notable de la DC es que los perfiles verticales de temperatura, salinidad y densidad están escalera-como, compuesto por alternante convectiva capas e interfaces delgadas, fuertemente estratificadas homogénea. C.C. ocurre principalmente en los océanos de alta latitud y algunos salares interiores, como el Ártico y los océanos Antártico, el mar de Ojotsk, el mar rojo y África lago Kivu¹⁰. En el océano Ártico, existen escaleras DC toda la cuenca y persistentes en el superior y profundos océanos^11,12. Tiene un efecto importante en la diapicna mezcla en el océano superior y pueden influir significativamente en el hielo-derretir, que recientemente despierta a más interés en la comunidad de Oceanografía¹³.

La estructura de escalera de DC fue descubierta en el océano Ártico en 1969¹⁴. Después de eso, Padman & Dillon¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag y Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva y Timmermans¹⁸y Shibley et al. ¹⁹ midió las escaleras DC en diferentes cuencas del océano Ártico, incluyendo la vertical y escala horizontal de la capa convectiva y la interfaz, la profundidad y el espesor total de la escalera, la vertical traspaso térmico, los procesos de CC en eddy de mesoescala y los cambios temporales y espaciales de las estructuras de la escalera. Schmid et al. ²⁰ y Sommer et al. ²¹ observa las escaleras DC usando un analizador de la microestructura en el lago Kivu. Informó las características de la estructura principal y flujos de calor de DC y en comparación con los flujos de calor medido con la fórmula paramétrica existente. Con ordenador mejora de velocidad de procesamiento, recientemente se han realizado las simulaciones numéricas de DC, por ejemplo, para examinar la interfaz de estructura e inestabilidad, transferencia de calor a través de la interfaz, evento de fusión de la capa y así sucesivamente^{22, 23 , 24}.

La observación del campo ha mejorado enormemente la comprensión del océano DC para oceanógrafos, pero la medida es fuertemente limitada por instrumentos y entornos de indeterminado flujo oceánico. Por ejemplo, la interfaz de CC tiene una escala vertical extremadamente pequeña, más delgado que 0,1 m en algunos lagos y océanos²⁵, y son necesarios algunos instrumentos especiales de alta resolución. El experimento de laboratorio muestra sus ventajas únicas en la exploración de las leyes fundamentales de la dinámicas y termodinámicas del DC. Con un experimento de laboratorio, uno puede observar la evolución de la escalera de la DC, medir la temperatura y la salinidad y proponer algunas parametrizaciones para la aplicaciones oceánicas^26,27. Además, en un experimento de laboratorio, las condiciones y parámetros de controlados son fácilmente ajustar como sea necesario. Por ejemplo, Turner primero simuló la escalera de la DC en el laboratorio en 1965 y propuso una parametrización de la transferencia de calor a través de la interfaz difusiva, que se actualiza con frecuencia y se utiliza extensivamente en las en situ observaciones oceánicas²⁸ .

En este documento, un protocolo experimental detallado se describe para simular el proceso de evolución de la escalera de la DC, incluyendo la generación, desarrollo y desaparición, en agua salina estratificado calentado desde abajo. La temperatura y la salinidad son medidos por un instrumento de micro escala, así como las escaleras de DC está supervisadas con la técnica de shadowgraph. La disposición experimental, proceso de evolución, análisis de datos y discusión de resultados se describen en detalle. Alterando las condiciones iniciales y límite, la presente disposición experimental y el método pueden utilizarse para simular otros fenómenos oceánicos, tales como la convección oceánica horizontal, erupciones hidrotermales profundas, profundización de la capa de mezcla superficial, el efecto de submarino de geotermia en la circulación oceánica y así sucesivamente.

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 plexiglás cuidadosamente con agua destilada.
2. Ensamble del tanque con tornillos para asegurar que el depósito es a prueba de agua.
3. Establecer un marco apoyo de acero inoxidable (altura de 150 mm) sobre una mesa óptica y fijar el tanque por arriba de la estructura con un aislante losa, que limita la salida de calor del tanque de trabajo a la mesa.
4. Inserte tres termistores (estabilidad de temperatura de 0,01 ° C) en cada placa y unirlos con un multímetro digital. Tenga en cuenta que estos termistores se utilizan para monitorear las temperaturas de las placas superior e inferior.
5. Coloque una Micro escala de conductividad y temperatura instrumento (MSCTI) dentro del tanque y conectarlo a una adquisición de datos multifunción (MDA). Fijar la MSCTI a una etapa de traducción precisión motorizada (MPTS).
   : Nota que la MSCTI se puede mover hacia arriba y hacia abajo por el movimiento vertical, por lo que se obtienen los perfiles de temperatura y salinidad del fluido de trabajo. Aquí, el MSCTI tiene estabilidad de temperatura de estabilidad 0.01 ° C y salinidad de 1%. El MPTS tiene exactitud posicional de 0.005 milímetros.
6. Configure los parámetros en los correspondientes programas de software del Multímetro Digital y la adquisición de datos multifunción, tales como tasas de muestreo, canales de adquisición de datos y rutas de almacenamiento. Aquí, establecer las tasas de muestreo del multímetro digital y la adquisición de datos multifunción como 1.0 y 128 Hz, respectivamente.
7. Configurar los parámetros de movimiento en el programa de software de las MPTS, incluyendo la posición inicial, las posiciones mínima y más, moviendo la velocidad y la aceleración de la MSCTI. Aquí, defina la velocidad de movimiento y aceleración como 1 mm/s y 0.5 mm/s²y las posiciones mínima y más como 20 y 220 mm sobre la placa inferior. Esto conduce a un período de tiempo de las MPTS de 404 s para una medición de arriba-abajo. Establecer la posición inicial de la MSCTI en la posición más baja.
8. Mantener la temperatura casi constante alrededor de 24 ° C con dos Aires acondicionados alta potencia (energía de trabajo de 3000 W).

2. óptica aparato

Nota: Durante el experimento, la evolución de la escalera de DC controlarse con la técnica de shadowgraph, que se ha cumplido con los procedimientos siguientes

1. Coloque un pedazo de papel de calco (25,7 cm x 25,7 cm) en el exterior del tanque.
2. Utilice una lámpara de haz estrecho como la fuente de luz. Coloque la fuente de luz cerca de 5 m lejos del otro lado del tanque, por lo que se puede generar una luz casi blanca y colimada. Tenga en cuenta que durante el experimento el DC fluido estructura en capas está iluminada en el papel debido al cambio de densidad (correspondiente al cambio de índice de refracción) del fluido.
3. Colocar una videocámara de alta velocidad en el mismo lado del papel. Es cerca de 1 m de distancia del tanque para que las estructuras de capas con el depósito del mismo tamaño pueden grabarse.
4. Establecer la frecuencia de muestreo de la cámara. Tenga en cuenta que la frecuencia de muestreo debe ser adecuada capturar el detalle de las evoluciones de la escalera. Aquí, la frecuencia de muestreo de la videocámara es 25 Hz.
5. Encienda la lámpara y la videocámara y ajustar un poco sus pociones y distancias asegurar imágenes claras y que puede ser capturada por la videocámara.

3. fluido de trabajo

1. Preparar las aguas salinas y frescas en dos tanques.
   1. Únete a dos tanques rectangulares idénticos (tanque A y tanque B) por un tubo flexible (a 10 cm de longitud, 6 mm de diámetro interno y 10 mm de diámetro exterior) de la parte inferior de cada uno.
   2. Llenar tanque A con agua salada, su concentración en masa de sal (es decir, salinidad) es de 60 g/kg en este ejemplo.
   3. Llene el tanque B con un volumen igual de agua dulce de gaseados y utilice un agitador magnético eléctrico continuamente homogeneizar el líquido.
   4. Mantenga la temperatura inicial del fluido en ambos tanques igual a la temperatura ambiente (24 ° C).
2. Establecer la estratificación de la densidad lineal en el tanque de trabajo.
   1. Utilice el método de doble tanque²⁹ para establecer una estratificación inicial lineal del agua salina en el tanque de trabajo.
   2. Coloque el tanque A y B a la misma altura, que es 30 cm más alto que el tanque de trabajo. Únete a tanque B y el tanque de trabajo con otro tubo flexible (a 50 cm de longitud, 2 mm de diámetro interno y 5 mm de diámetro exterior) de sus fondos. Debido a la diferencia de presión de fluido en estos dos tanques, el líquido en el tanque B se puede inyectar lentamente dentro del tanque de trabajo.
   3. Controlar la velocidad de flujo con una bomba peristáltica en 0,45 mL/s. Nota todo el tiempo de llenado de agua para el tanque de trabajo es aproximadamente 3 h. calcular la salinidad en la parte inferior del tanque de trabajo basada en²⁹
      (1)
      donde S_A, V y V₀ son salinidad del tanque A, el volumen final del fluido del tanque de trabajo y el volumen inicial de líquido del tanque A (o B), respectivamente. Con la salinidad en la parte inferior S_B y el agua dulce en la parte superior, es la frecuencia de la flotabilidad de estratificación inicial N₀
      (2)
      donde g es la aceleración de la gravedad, ρ₀ es la densidad de referencia, y β es el coeficiente de contracción de salinidad. Nota N₀ se calcula como 1.14 rad/s en este ejemplo.

4. ejecución del experimento

1. Establecer las condiciones de contorno para el tanque de trabajo.
   1. Conecte la cámara de agua de la placa superior un circulador refrigerado con ocho tubos suaves plástico uniformemente distribuidos (150 cm de longitud, 10 mm de diámetro interior y 15 mm de diámetro exterior). Tenga en cuenta que la temperatura de la placa superior depende de la temperatura del circulador refrigerado. Ajuste la temperatura de la placa superior para ser igual a la temperatura ambiente (24 ° C).
   2. Conecte la almohada eléctrica dentro de la placa de fondo a una fuente de corriente directa. Nota un flujo de calor constante se suministra al fluido de trabajo durante este experimento, que se calcula como
      (3)
      donde U, R y A la tensión suministrada, resistencia eléctrica y área eficaz de la calefacción eléctrica almohadilla, respectivamente. En este ejemplo, la resistencia y el área eficaz son ohmios 44,12 y 1.89 × 10^-2 m². Ajustar la tensión suministrada, de 60 V, para que el calor total del flujo F_h es 4317 W/m².
2. Encienda la videocámara para grabar el patrón de flujo.
3. Encienda el Multímetro Digital, adquisición de datos multifunción para controlar la temperatura de las placas superior e inferior y la temperatura y la salinidad del fluido usando el MSCTI.
4. Encienda el MPTS para mover el MSCTI arriba y abajo para lograr los perfiles de temperatura y salinidad del fluido de trabajo.
5. Encienda el circulador refrigerado y la fuente de corriente directa para lograr las condiciones de límite superior e inferior del fluido de trabajo.
   Nota: Recuerde que el experimento entero experimentará la generación, desarrollo, mergence y desaparición de la escalera de la DC, y durará unas 5 horas. Después de la desaparición de todo escaleras DC, apague la fuente de corriente directa, circulador refrigerado, MPTS, Multímetro Digital, adquisición de datos multifunción y videocámara a su vez.

5. procesamiento de datos

1. Imagen de Shadowgraph
   1. Utilizar un programa de Matlab para convertir el video grabado por la cámara a las imágenes sucesivas para su posterior análisis. Adaptar estas imágenes para acentuar el patrón de flujo dentro del tanque. Ajustar la intensidad de la imagen digital como (x, z), donde (x, z) denota las coordenadas horizontales y vertical con el origen en la esquina inferior izquierda de la imagen. Tenga en cuenta que (x, z) varía en (0, 1) con nivel de gris de 256. Normalizar cada imagen por una imagen de fondo³⁰
      (4)
      donde es la intensidad de la imagen promedio sobre 10 imágenes tomadas antes de la refrigeración y calefacción se aplica, denota la intensidad de la primera imagen deth . De esta manera, pueden eliminarse los defectos fijos en las imágenes. Para examinar la evolución temporal del modelo DC, cada imagen se puede convertir en un perfil de la fluctuación de intensidad vertical solo, , mediante el cálculo de la fluctuación de intensidad de imagen (es decir, raíz cuadrada media de intensidad) a lo largo de la dirección horizontal . Trazar los perfiles de la fluctuación de intensidad de las imágenes sucesivas junto con aumentar el tiempo de mostrar las evoluciones de las escaleras de la DC.
2. Perfiles de temperatura y salinidad
   1. Nota: en este experimento los perfiles verticales de temperatura y salinidad del fluido de trabajo se miden por la MSCTI de movimiento arriba-abajo. Calcular la altura temporal, sistema de la MSCTI con la media móvil velocidad w, tiempo t, la partida tiempo t₀ (correspondiente a la posición más baja), la más baja posición h_L y más alta la posición h_H, como
      (5)
      donde es el MSCTI pasar período de posición (más bajo) (más alto) a más alta más baja, n y δ son parte integral y fraccionario, respectivamente. Entonces calcular el sistema de altura temporal como
      (6)
      Nota en la ecuación (6), si n es par, el MSCTI está en movimiento de lo contrario la MSCTI va hacia abajo. Parcela la temperatura de la serie de tiempo T(t) y la salinidad s (t) en términos de altura sistema para obtener los perfiles verticales de temperatura y salinidad.

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