Diffusive konveksiyon merdiven yapıların evrimi

Özet

Diffusive konveksiyon (DC) yaygın olarak doğal süreçleri ve mühendislik uygulamaları, merdivenler homojen convecting katmanları ve tabakalı arabirimleri ile bir dizi ile karakterize oluşur. Deneysel bir işlem üretimi, geliştirme ve ortadan kalkması, dikdörtgen bir tank gibi DC merdiven yapısı evrim sürecinin benzetimini yapmak için tanımlanır.

Özet

Dikey tabakalı diffusive konveksiyon (DC) yoğunluğu belirgin farklı moleküler diffusivities var skaler degradeler karşıt iki tarafından kontrol edilir ve daha büyük - ve daha küçük-Yayınım skaler degradeler negatif ve pozitif var oluşur katkıları yoğunluğu dağıtım için sırasıyla. DC birçok doğal süreçler ve mühendislik uygulamaları, örneğin, Oşinografi, astrofizik ve Metalurji oluşur. Okyanuslarda, DC en dikkat çekici özelliklerinden biri dikey sıcaklık ve tuzluluk profilleri merdiven benzeri yapıda, ardışık adımlarla kalın homojen convecting katmanları ve nispeten ince ve yüksek-gradient arabirimleri oluşur olmasıdır. DC merdivenler birçok okyanuslarda, özellikle Arktik ve Antarktika okyanuslar, gözlemledim ve okyanus dolaşım ve iklim değişikliği üzerinde önemli bir rol oynamaktadır. Kuzey Buz Denizi havza çapında ve kalıcı DC merdivenler üst ve derin okyanuslarda mevcut. DC işlem üst okyanusta karıştırma diapycnal üzerinde önemli bir etkisi vardır ve yüzey buz erime önemli ölçüde etkileyebilir. Çünkü kesinlikle sınır koşulları ve kontrollü parametreleri ayarlanabilir alan gözlemler sınırlamalar için karşılaştırıldığında, laboratuvar deneyi DC, dinamik ve termodinamik süreçlerinde etkili bir şekilde incelemek için benzersiz avantajı gösterir. Burada, detaylı bir protokol DC merdiven yapısı dahil olmak üzere, üretimi, geliştirme ve ortadan kalkması, tabakalı tuzlu su ile dolu bir dikdörtgen su tankında, evrim sürecinin benzetimini yapmak için tanımlanır. Deneysel Kur, evrim süreci, veri analizi ve sonuçları tartışılması ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Giriş

Çift Kişilik diffusive konveksiyon (DDC) en önemli dikey karıştırma işlemleri biridir. Tabakalı su sütunu dikey yoğunluk dağılımı iki veya daha fazla skaler bileşenleri degradeler bileşenleri belirgin farklı moleküler diffusivities¹olduğu ters yön tarafından kontrol edilir oluşur. Yaygın Oşinografi², atmosfer³, Jeoloji⁴, astrofizik⁵, malzeme bilimi⁶, Metalurji⁷ve mimari mühendislik⁸içinde oluşur. DDC neredeyse yarısı küresel okyanus var ve okyanus çok ölçek süreçleri ve hatta iklim değişiklikleri⁹üzerinde önemli etkileri vardır.

DDC için iki birincil modu bulunur: tuz parmak (SF) ve diffusive konveksiyon (DC). SF oluşur sıcak, tuzlu su kütlesi overlies soğutucu, taze su tabakalı ortamda. Sıcak ve tuzlu su soğuk ve taze su altında yalan söylediğinde, DC oluşturacak. DC dikkate değer özellik dikey profilleri sıcaklık, tuzluluk ve yoğunluk alternant katmanları ve ince, güçlü tabakalı arayüzleri convecting homojen oluşan merdiven benzeri olmasıdır. DC esas olarak yüksek enlem okyanuslar ve Arktik ve Antarktika okyanuslar, gibi bazı iç tuz gölleri Ohotsk Denizi, Kızıldeniz ve Afrika Kivu Lake¹⁰oluşur. Kuzey Buz Denizi havza çapında ve kalıcı DC merdivenler üst ve derin okyanuslar^11,12mevcut. Bu diapycnal üst okyanusta karıştırma üzerinde önemli bir etkisi vardır ve buz-hangi son zamanlarda Oşinografi topluluk¹³daha fazla ve daha fazla ilgi uyandırıyor erime, önemli ölçüde etkileyebilir.

DC merdiven yapısı ilk Kuzey Buz Denizi, 1969-¹⁴yılında keşfedilmiştir. O, Padman & Dillon¹⁵sonra Timmermans ve ark. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Çu & Lu¹², Guthrie ve ark. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸ve Shibley ve ark. ¹⁹ DC merdivenler Kuzey Buz Denizi, dikey dahil olmak üzere farklı havzaları içinde ölçülen ve convecting katman ve arayüzü, derinlik ve merdiven, toplam kalınlığı yatay ölçekler dikey ısı transferi, DC süreçlerinde mesoscale eddy ve merdiven yapıların zamansal ve mekansal değişiklikleri. Schmid ve ark. ²⁰ ve Sommer vd. ²¹ DC merdivenler Kivu gölde bir mikroyapı Profiler'ı kullanarak görülmektedir. Onlar ana yapısı özellikleri ve ısı Cerayanlar DC bildirdi ve ölçülen ısı Cerayanlar varolan parametrik formülü ile karşılaştırıldığında. Hız artırma işleme bilgisayarla sayısal simülasyonlar DC son zamanlarda yapılmış, örneğin, arabirimin incelemek için yapısı ve istikrarsızlık, ısı transferi arayüzü üzerinden, birleştirme olay katman vb.^{22, 23 , 24}.

Alan gözlem büyük okyanus DC anlamak için oşinograflar geliştirdi ama ölçüm güçlü belirsiz oceanic akış ortamları ve araçları sınırlıdır. Örneğin, DC arayüzü son derece küçük bir dikey ölçek bazı göller ve okyanusların²⁵0.1 m daha ince olan ve özel yüksek çözünürlüklü enstrümanlar ihtiyaç vardır. Laboratuvar deneyi DC temel dinamik ve Termodinamik kanunları keşfetmek benzersiz avantajları gösterir. Laboratuvar deneyi ile bir DC merdiven evrimi gözlemlemek sıcaklık ve tuzluluk ölçmek ve bazı parameterizations oceanic uygulamaları^26,27öneriyorum. Ayrıca, bir laboratuvar deneyi, koşul ve kontrollü parametreleri kolayca ayarlanır gerektiği gibi. Örneğin, Turner ilk 1965 yılında DC merdiven laboratuvarda simüle ve sık sık güncelleştirilen ve yoğun kullanılan in situ okyanus gözlemleri^{28 diffusive arabirimi üzerinden bir ısı transferi parameterization önerdi} .

Bu yazıda, detaylı bir deneysel protokol üretimi, geliştirilmesi ve ortadan kalkması, aşağıdan ısıtmalı tabakalı tuzlu suda dahil DC merdiven evrim sürecinin benzetimini yapmak için tanımlanır. Sıcaklık ve tuzluluk shadowgraph tekniği ile izlenen DC merdivenler yanı sıra mikro ölçekli araç tarafından ölçülür. Deneysel Kur, evrim süreci, veri analizi ve sonuçları tartışılması ayrıntılı olarak açıklanmıştır. İlk ve sınır koşulları değiştirerek, mevcut deneysel kurulum ve yöntemi oceanic yatay konveksiyon, derin deniz hidrotermal patlamalar, yüzey karışık katman derinleşmesi, etkisi gibi diğer okyanus olayları taklit etmek için kullanılabilir okyanus dolaşım ve benzeri jeotermal Submarine.

Protokol

1. çalışma Tank

Not: Deneme dikdörtgen bir tankta gerçekleşir. Tankın üst ve alt levha ve yan duvar içerir. Üst ve alt plaka bakır electroplated yüzeyler ile yapılır. Üst plaka içinde su odası vardır. Bir elektrikli ısıtma yastığını alt plaka eklenir. Yan duvar şeffaf Pleksiglas yapılır. L_x tank boyutudur 257 mm (uzunluk), L_y = 65 mm (genişlik) ve L_z = 257 mm (yükseklik) =. Yanak kalınlığı 9,5 mm olduğunu.

1. Bakır plakalar ve organik cam kenarındaki dikkatle distile su ile temizleyin.
2. Tank tank su geçirmez olduğundan emin olmak için vida ile monte.
3. Bir paslanmaz çelik destek çerçeve (150 mm yüksekliği) üzerinde optik bir masayı ve tank çalışma tankı ısı kaçağı tablo sınırlarını çerçeve ile bir ısı yalıtım levha arasında yukarıda düzeltin.
4. Her plaka üç termistör sıcaklığı (0.01 ° c sıcaklık kararlılığı) takın ve onları için bir dijital multimetre takın. Not Bu termistör sıcaklığı üst ve alt plakaların sıcaklık izlemek için kullanılır.
5. Bir mikro ölçekli iletkenlik ve sıcaklık enstrüman (MSCTI) tankın yerleştirin ve çok işlevli veri alma (MDA) bağlayın. Bir motorlu hassas çeviri aşamaya (MPTS) MSCTI saptamak.
   Not: böylece çalışma sıvı sıcaklık ve tuzluluk profilleri elde MSCTI yukarı ve aşağı dikey olarak hareket tarafından taşınabileceğini unutmayın. Burada, MSCTI sıcaklık kararlılığı %1 0.01 ° C ve tuzluluk istikrar vardır. MPTS 0.005 mm pozisyonel doğruluk vardır.
6. Karşılık gelen yazılım programları dijital multimetre ve örnekleme hızı, veri toplama kanalları ve depolama yolları gibi çok işlevli veri toplama parametrelerini ayarlamak. Burada, dijital multimetre ve çok işlevli veri toplama örneklendirme oranı sırasıyla 1.0 ve 128 Hz ayarlayın.
7. Hız ve ivme, MSCTI taşıma başlangıç konumu da dahil olmak üzere MPTS, en düşük ve en yüksek pozisyonlar yazılım programında hareket parametrelerini ayarlamak. Burada, hareketli hız ve ivme 1 mm/s ve 0,5 mm/s²ayarlayıp en düşük ve en yüksek pozisyonlar alt plaka üzerinde 20 ve 220 mm olarak ayarlayabilirsiniz. Bu 404 MPTS süre için yol s bir yukarı-aşağı ölçüm için. En düşük konumda MSCTI başlangıç konumunu ayarlayın.
8. Oda sıcaklığında yaklaşık 24 ° C yüksek güçlü iki klimalar (3000 W çalışma gücü) ile hemen hemen sabit tutmak.

2. optik cihazlar

Not: deneme sırasında DC merdiven evrimi ile yerine shadowgraph tekniği ile takip edilebilir yordamları aşağıda

1. Aydınger kağıdı (25.7 cm x 25.7 cm) bir parça tankın dışına ekleyin.
2. Bir dar demet LED lamba ışık kaynağı olarak kullanın. Işık kaynağı yaklaşık 5 m neredeyse collimated bir ışık oluşturulabilir tank, öbür uzağa yerleştirin. DC deney sırasında sıvı yapı katmanlı unutmayın Aydınger kağıdı (Dizin of kırılma değişiklik için karşılık gelen) yoğunluk değişiklik sıvı nedeniyle aydınlatılır.
3. Yüksek hızlı bir video kamera izleme kağıt aynı yanına koyun. Böylece tam boyutlu tank ile katmanlı yapılar kaydedilebilir yaklaşık 1 m tank uzak olduğunu.
4. Belgili tanımlık camcorder örnekleme hızını ayarlayın. Örnekleme hızı merdiven açılımlar detay yakalamak uygun olması unutmayın. Burada, kamerayı örnekleme oranı 25 Hz.
5. Lamba ve video kamera, açın ve biraz iksir ve mesafeler ayarlamak, bu görüntülerini temizlemek emin olmak için video kamera tarafından yakalanabilir.

3. çalışma sıvı

1. İki tank tuz ve taze sularda hazırlayın.
   1. Her biri en alttan esnek boru (10 cm uzunluğunda, 6 mm iç çapında ve dış çapı 10 mm) tarafından iki özdeş dikdörtgen tanklar (tank A ve tank B) katılın.
   2. Tuzlu su, tuz (Yani, tuzluluk) kitle onun konsantrasyonu ile dolgu tank A 60 g/kg Bu örnekte'dır.
   3. Tank B eşit birimlere de-gazla tatlı su ile doldurun ve sürekli sıvı homojenize için bir elektrik manyetik karıştırıcı kullanın.
   4. Her iki tank içinde ilk sıvı sıcaklığı oda sıcaklığına (24 ° C) korumak.
2. Doğrusal yoğunluk stratifikasyon çalışma tank kurmak.
   1. Çift-tank yöntemi²⁹ tuzlu su içinde çalışma tank ilk bir doğrusal stratifikasyon kurmak için kullanın.
   2. Tank A ve B 30 cm çalışma tankı yüksek aynı yükseklikte yerleştirin. Tank B ve çalışma tank başka bir esnek tüp (50 cm uzunluğunda, 2 mm iç çapında ve dış çapı 5 mm) ile onların dipleri katılın. Bu iki tank sıvı basıncı farklılığı nedeniyle sıvı tank B yavaş yavaş çalışma tank içine enjekte edilebilir.
   3. 0,45 mL, peristaltik pompa ile akış hızı kontrol/s. Not su doldurma tüm süre boyunca çalışma tank yaklaşık 3 h. çalışma deponun dibinde tuzluluk²⁹ tarihinde göre hesapla
      (1)
      S_A, V ve V₀ nerede tuzluluk tank A, çalışma tank son sıvı hacim ve tank A (veya B) ilk sıvı hacmi anılan sıraya göre. Tuzluluk S_B alt ve üst tatlı su, ilk stratifikasyon N₀ yüzdürme sıklığını kullanmaktır
      (2)
      g yerçekimi ivme nedir, ρ₀ başvuru yoğunluğu, β tuzluluk daralma katsayısıdır. Not N₀ Bu örnekte 1.14 rad/s olarak hesaplanır.

4. deneme gerçekleştirme

1. Çalışma tankı için sınır koşulları ayarlama.
   1. Üst plaka su TMMOB buzdolabında sirkülatörün sekiz birörnek dağıtılmış plastik yumuşak tüpler (150 cm uzunluğunda, 10 mm iç çapında ve dış çapı 15 mm) takın. Üst plaka sıcaklığını buzdolabında sirkülatörün sıcaklığına bağlı olduğunu unutmayın. Oda sıcaklığında (24 ° C) ile aynı olması için üst plaka sıcaklık ayarlayın.
   2. Elektrikli ısıtma yastığını alt plaka içinde bir doğru akım kaynağı bağlayın. Not bir ısıyı sabit akı çalışma sıvı olarak hesaplanan bu deneme sırasında sağlanır
      (3)
      U, R ve A verilen gerilim olduğu, elektrik direnci ve elektrikli ısıtma etkili alan, sırasıyla yastık. Bu örnekte, direnç ve etkili alan are 44.12 ohm ve 1.89 × 10^-2 m². 60 V, böylece F_h toplam ısı akı 4317 W/m²sağlanan gerilim ayarlandığı gibi.
2. Akış deseni kaydetmek için kamerayı açın.
3. Dijital multimetre üzerinde üst ve alt plaka ve sıcaklık sıcaklık ve tuzluluk sıvı MSCTI kullanarak izlemek için çok işlevli veri toplama açın.
4. Yukarı ve aşağı çalışma sıvı sıcaklık ve tuzluluk profilleri elde etmek için MSCTI taşımak için MPTS üzerinde açın.
5. Buzdolabında sirkülatörün ve çalışma sıvı üst ve alt sınır koşulları elde etmek için doğru akım kaynağı açın.
   Not: tüm deneme üretimi, geliştirilmesi, mergence ve DC merdiven ortadan kaybolması yaşayacaksınız ve bu son olacak Not yaklaşık 5 saat. Tüm DC merdivenler kayboluşundansonra doğru akım kaynağı, buzdolabında sirkülatör, MPTS, dijital multimetre, çok işlevli veri toplama ve video kamera sırayla kapatın.

5. veri işleme

1. Shadowgraph resim
   1. Matlab programı tarafından daha fazla çözümleme için art arda gelen görüntüleri kameraya kaydedilen video dönüştürmek için kullanın. Tankın içinde akış deseni vurgulamak için bu fotoğraf terzi. Dijital görüntü yoğunluğu olarak yeri (x, z), küme (x, z) kökenli resmin sol alt köşesinde yatay ve dikey koordinatlarını gösterir. Not ben (x, z) değişir (0, 1) 256 gri düzeyini içeren. Her görüntünün arka plan resmi tarafından³⁰ normalize
      (4)
      nerede 10 resim soğutma ve Isıtma uygulanmakta, daha önce alınan ortalama görüntü yoğunluğu bitti i yoğunluğunu gösterirth görüntü. Bu şekilde,-ebilmek var olmak çıkarmak sabit hataları görüntüler. DC desen zamansal evrimini incelemek için her görüntü tek dikey yoğunluğu dalgalanma profilini bir dönüştürülebilir , birlikte görüntü yoğunluğu dalgalanma (yani, kök-ortalama-yoğunluğunu kare) hesaplayarak yatay yöndeki . Yoğunluk dalgalanma profilleri Arsa ile birlikte artan yaşam süresi DC merdivenler açılımlar göstermek için art arda gelen görüntüleri.
2. Sıcaklık ve tuzluluk profilleri
   1. Dikey profilleri, sıcaklık ve tuzluluk çalışma sıvı yukarı-aşağı hareket eden MSCTI tarafından ölçülür bu deney, dikkat edin. Zamansal yüksekliği, h(t), MSCTI hareket hız w, zaman t, (en düşük fiyat konumuna karşılık gelen) başlangıç zaman t₀ , en düşük fiyat pozisyon h_L ortalamaya sahip, hesaplamak ve en yüksek olarak h_H, pozisyon
      (5)
      nerede MSCTI hareket döneminin en düşük (en yüksek) en yüksek (en düşük) konumundan n ve δ sırasıyla ayrılmaz ve kesirli bölümü vardır. Zamansal yükseklik h(t) olarak hesaplamak
      (6)
      Denklem (6) n bile değilse, Not, MSCTI yukarı hareket ediyor; Aksi takdirde MSCTI aşağı hareket ediyor. Zaman serisi sıcaklık T(t) ve tuzluluk S(t) dikey sıcaklık ve tuzluluk profiller elde ettiğiniz için yükseklik h(t) açısından arsa.

Sonuçlar

Şekil 1 deneysel kurulumunun şematik gösterir. Bileşenleri iletişim kuralında açıklanmıştır. Ana bölümden Şekil 1a ile gösterilir ve detaylı çalışma tankı 1b rakamgösterilir. Resim 2 (T_b, kırmızı eğri) alt ve üst (T_t, siyah eğri) plakalar sıcaklık değişiklikleri gösterir. Bu iki plakalarının sıcaklığı olduğunu hemen hemen aynı oda sıcaklığ...

Tartışmalar

Bu yazıda detaylı bir deneysel protokol thermohaline DC merdiven yapıları dikdörtgen bir tank benzetimini yapmak için tanımlanır. Bir ilk doğrusal yoğunluk stratifikasyon çalışma sıvı iki tank yöntemi kullanılarak inşa edilmiştir. Üst plaka sabit bir sıcaklık ve ısıyı sabit akı en altında bir tutulur. Bütün evrim süreci, üretimi, geliştirme, mergence ve ortadan kalkması, dahil DC merdiven shadowgraph tekniği ile görüntülenir ve farklarını sıcaklık ve tuzluluk yüksek doğruluk son...

Malzemeler

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