Bu eser Çin NSF hibe (41706033, 91752108 ve 41476167), Grangdong NSF hibe (2017A030313242 ve 2016A030311042) ve LTO grant (LTOZZ1801) tarafından desteklenmiştir.

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. Lx tank boyutudur 257 mm (uzunluk), Ly = 65 mm (genişlik) ve Lz = 257 mm (yükseklik) =. Yanak kalınlığı 9,5 mm olduğunu.
<ol><li>Bakır plakalar ve organik cam kenarındaki dikkatle distile su ile temizleyin.</li>
	<li>Tank tank su geçirmez olduğundan emin olmak için vida ile monte.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Oda sıcaklığında yaklaşık 24 ° C yüksek güçlü iki klimalar (3000 W çalışma gücü) ile hemen hemen sabit tutmak.</li>
</ol>2. optik cihazlar
Not: deneme sırasında DC merdiven evrimi ile yerine shadowgraph tekniği ile takip edilebilir yordamları aşağıda
<ol><li>Aydınger kağıdı (25.7 cm x 25.7 cm) bir parça tankın dışına ekleyin.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Yüksek hızlı bir video kamera izleme kağıt aynı yanına koyun. Böylece tam boyutlu tank ile katmanlı yapılar kaydedilebilir yaklaşık 1 m tank uzak olduğunu.</li>
	<li>Belgili tanımlık camcorder örnekleme hızını ayarlayın. Örnekleme hızı merdiven açılımlar detay yakalamak uygun olması unutmayın. Burada, kamerayı örnekleme oranı 25 Hz.</li>
	<li>Lamba ve video kamera, açın ve biraz iksir ve mesafeler ayarlamak, bu görüntülerini temizlemek emin olmak için video kamera tarafından yakalanabilir.</li>
</ol>3. çalışma sıvı
<ol><li>İki tank tuz ve taze sularda hazırlayın.<ol>
<li>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.</li>
		<li>Tuzlu su, tuz (Yani, tuzluluk) kitle onun konsantrasyonu ile dolgu tank A 60 g/kg Bu örnekte'dır.</li>
		<li>Tank B eşit birimlere de-gazla tatlı su ile doldurun ve sürekli sıvı homojenize için bir elektrik manyetik karıştırıcı kullanın.</li>
		<li>Her iki tank içinde ilk sıvı sıcaklığı oda sıcaklığına (24 ° C) korumak.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Doğrusal yoğunluk stratifikasyon çalışma tank kurmak.<ol>
<li>Çift-tank yöntemi29 tuzlu su içinde çalışma tank ilk bir doğrusal stratifikasyon kurmak için kullanın.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq1.jpg">(1) SA, V ve V0 nerede tuzluluk tank A, çalışma tank son sıvı hacim ve tank A (veya B) ilk sıvı hacmi anılan sıraya göre. Tuzluluk SB alt ve üst tatlı su, ilk stratifikasyon N0 yüzdürme sıklığını kullanmaktır <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq2.jpg">(2) g yerçekimi ivme nedir, ρ0 başvuru yoğunluğu, β tuzluluk daralma katsayısıdır. Not N0 Bu örnekte 1.14 rad/s olarak hesaplanır.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. deneme gerçekleştirme
<ol><li>Çalışma tankı için sınır koşulları ayarlama.<ol>
<li>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.</li>
		<li>Elektrikli ısıtma yastığını alt plaka içinde bir doğru akım kaynağı bağlayın. Not bir ısıyı sabit akı çalışma sıvı olarak hesaplanan bu deneme sırasında sağlanır <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq3.jpg">(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 Fh toplam ısı akı 4317 W/m2sağlanan gerilim ayarlandığı gibi.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Akış deseni kaydetmek için kamerayı açın.</li>
	<li>Dijital multimetre üzerinde üst ve alt plaka ve sıcaklık sıcaklık ve tuzluluk sıvı MSCTI kullanarak izlemek için çok işlevli veri toplama açın.</li>
	<li>Yukarı ve aşağı çalışma sıvı sıcaklık ve tuzluluk profilleri elde etmek için MSCTI taşımak için MPTS üzerinde açın.</li>
	<li>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.</li>
</ol>5. veri işleme
<ol><li>Shadowgraph resim<ol>
<li>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 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq4.jpg">(4) nerede <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq5.jpg"> 10 resim soğutma ve Isıtma uygulanmakta, daha önce alınan ortalama görüntü yoğunluğu bitti <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq6.jpg"> 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 <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, birlikte görüntü yoğunluğu dalgalanma (yani, kök-ortalama-yoğunluğunu kare) hesaplayarak yatay yöndeki <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>. Yoğunluk dalgalanma profilleri Arsa <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> ile birlikte artan yaşam süresi DC merdivenler açılımlar göstermek için art arda gelen görüntüleri.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sıcaklık ve tuzluluk profilleri<ol>
<li>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 hL ortalamaya sahip, hesaplamak ve en yüksek olarak hH, pozisyon <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq8.jpg">(5) nerede <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq9.jpg"> 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 <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq10.jpg">(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.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Buoyancy Effects in Fluids. , 367 (1973).</li><li>Schmitt, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+diffusion+in+oceanography.">Double diffusion in oceanography.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).</li><li>Turner, J. S., Gustafson, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+motions+and+compositional+gradients+produced+by+crystallization+or+melting+at+vertical+boundaries.">Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).</li><li>Robb, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to Ore-forming Processes. , 373 (2004).</li><li>Chabrier, G., Baraffe, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+in+giant+(exo)planets:+a+new+perspective.">Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective.</a> The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).</li><li>Langlois, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buoyancy-driven+flows+in+crystal-growth+melts.">Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).</li><li>Chen, C. -. F., Johnson, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection:+A+report+on+an+engineering+foundation+conference.">Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference.</a> Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).</li><li>Griffiths, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layered+double-diffusive+convection+in+porous+media.">Layered double-diffusive convection in porous media.</a> Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).</li><li>You, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+global+ocean+climatological+atlas+of+the+Turner+angle:+implications+for+double-diffusion+and+water-mass+structure.">A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure.</a> Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).</li><li>Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+diffusive+regime+of+double+diffusive+convection.">The diffusive regime of double diffusive convection.</a> Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).</li><li>Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice-Tethered+Profiler+observations+of+the+double-diffusive+staircase+in+the+Canada+Basin+thermocline.">Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).</li><li>Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+double+diffusive+convection+steps+and+heat+budget+in+the+deep+Arctic+Ocean.">Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+melting+of+ice+in+the+arctic+ocean:+The+influence+of+double-diffusive+transport+of+heat+from+below.">The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below.</a> Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).</li><li>Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+stratification+in+the+Arctic+Ocean.">Thermal stratification in the Arctic Ocean.</a> Science. 166 (3903), 373-374 (1969).</li><li>Padman, L., Dillon, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+fluxes+through+the+Beaufort+Sea+thermohaline+staircase.">Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).</li><li>Sirevaag, A., Fer, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+transfer+in+the+Arctic+Ocean:+The+role+of+double-diffusive+mixing.">Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).</li><li>Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observational+validation+of+the+diffusive+convection+flux+laws+in+the+Amundsen+Basin,+Arctic+Ocean.">Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).</li><li>Bebieva, Y., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+examination+of+double-diffusive+processes+in+a+mesoscale+eddy+in+the+Arctic+Ocean.">An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).</li><li>Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+variability+of+the+Arctic+Ocean's+double-diffusive+staircase.">Spatial variability of the Arctic Ocean's double-diffusive staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).</li><li>Schmid, M., Busbridge, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection+in+Lake+Kivu.">Double-diffusive convection in Lake Kivu.</a> Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).</li><li>Sommer, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+structure+and+flux+laws+in+a+natural+double-diffusive+layering.">Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).</li><li>Carpenter, J. R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulations+of+a+double-diffusive+interface+in+the+diffusive+convection+regime.">Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime.</a> Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).</li><li>Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+through+diffusive+interfaces.">Heat transport through diffusive interfaces.</a> Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).</li><li>Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+recipes.+Part+II:+Layer-merging+events.">Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).</li><li>Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=+Double+diffusion+in+saline+Powell+Lake,+British+Columbia."> Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).</li><li>Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+experiments+on+diffusive+convection+layer+thickness+and+its+oceanographic+implications.">Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).</li><li>Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+parametrization+for+heat+transport+through+diffusive+convection+interface.">New parametrization for heat transport through diffusive convection interface.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+coupled+turbulent+transports+of+salt+and+heat+across+a+sharp+density+interface.">The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).</li><li>Hill, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=General+density+gradients+in+general+domains:+the+&amp;#34;two-tank&amp;#34;+method+revisited.">General density gradients in general domains: the &amp;#34;two-tank&amp;#34; method revisited.</a> Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).</li><li>Zhou, S. Q., Ahlers, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+chaos+in+electroconvection+of+a+homeotropically+aligned+nematic+liquid+crystal.">Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal.</a> Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).</li></ol>

Yazarlar ifşa gerek yok.

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 sondası tarafından kaydedilir. Bu ölçümler ile bir sadece niteliksel merdiven değişiklikleri gözlemlemek ama sıcaklık, tuzluluk ve yoğunluk değişiklikleri de kantitatif analiz. Ayrıca, katman kalınlığı ve ısı akısı farklarını in situ okyanus uygulamaları26,27için parametreli. Bazı temsilcisi deneysel sonuçlar gösterildiği ve rakamlar ile tartışıldı.
3.2. adımda Tank A, Tank B ve çalışma tankı için çalışma tank ilk doğrusal yoğunluk stratifikasyon kurulması sırasında bağlı. Bağlı gemiler kanunla, sıvı içinde belgili tanımlık tank A otomatik olarak B tanka akar ve akış hızı çalışma tankı içine B tankından tam iki kez bu dünya Dikey doğrusal yoğunluk Gradyanda neden olabilir B tankı içine A tankından sıvı29kral. 5.1. adımda her arabirim konumunu profilin yerel maksimum yoğunluk dalgalanma dayalı tespit <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>; güçlü ışık şiddeti dalgalanmalar DC arabirimleri pozisyonlarda olmasıdır.
Literatürde önceki DC deneyleri ile karşılaştırıldığında, mevcut kurulum ve yöntemi sıcaklık ve tuzluluk profilleri ölçmek ve sıvı-desen görüntüleri zaman uyumlu olarak kaydedin. Zamansal ve mekansal kararları ince arabirimleri yanı sıra diğer iyi çalkantılı yapıları yakalamak için yüksek. Bu yöntemin ana sınırlama ısı alışverişi arasında iç ve dışında çalışma tankı, doğru dikey ısı akısı ölçülecek gerekiyorsa hangi daha da artacaktır kaydedildiğini değil olması.
Bu deneyde ilk yoğunluğu stratifikasyon ve sınır koşulları kolayca olarak kontrol edilebilir olduğunu işaret etmek farklı amaçlar için gerekli değer. Bazı karmaşık durumları da biraz çark ile elde edilebilir, örneğin doğrusal olmayan stratifikasyon tank tank B A'dan gelen akış oranları ve bu çalışma tankı iki tank yöntemleri29 B tankından oranı oransal tarafından inşa edilebilir . Bu nedenle, bu bazı oceanic diğer olayları, oceanic yatay konveksiyon, derin deniz hidrotermal patlamalar, yüzey karışık katman derinleştirilmesi ve gibi etkisi simüle etmek için mevcut deneysel kurulum ve yöntemi uygulanan olabilir bekleniyor okyanus dolaşım ve benzeri jeotermal Submarine.

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 okyanuslar11,12mevcut. 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 uygulamaları26,27öneriyorum. 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 gözlemleri28 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.

<table><tbody><tr><td>Rectangular tank</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Electric heating pad</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Distilled water</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Optical table</td><td>Liansheng Inc.</td><td>MRT-P/B</td><td></td></tr><tr><td>Thermiostors</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Digital multimeter</td><td>Keithley Inc</td><td>Model 2700</td><td></td></tr><tr><td>Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI)</td><td>PME. Inc.</td><td>Model 125</td><td></td></tr><tr><td>Multifunction data acquisition (MDA)</td><td>MCC. Inc.</td><td>USB-2048</td><td></td></tr><tr><td>Motorized precision translation stage (MPTS)</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LTS300</td><td></td></tr><tr><td>Tracing paper</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>LED lamp</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Camcorder</td><td>Sony Inc.</td><td>XDR-XR550</td><td></td></tr><tr><td>De-gassed fresh water</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Saline water</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Flexible tube</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Electric magnetic stirrer&amp;nbsp;</td><td>Meiyingpu Inc.</td><td>MYP2011-100</td><td></td></tr><tr><td>Peristaltic pump</td><td>Zhisun Inc.</td><td>DDBT-201</td><td></td></tr><tr><td>Refrigerated circulator</td><td>Polyscience Inc.</td><td>Model 9702</td><td></td></tr><tr><td>Plastic soft tube</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Direct-current power supply</td><td>GE Inc.</td><td>GPS-3030</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks Inc.</td><td>R2012a</td><td></td></tr></tbody></table>

evolution of staircase structures in diffusive convection

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.

Şekil 1 deneysel kurulumunun şematik gösterir. Bileşenleri iletişim kuralında açıklanmıştır. Ana bölümden Şekil 1a ile gösterilir ve detaylı çalışma tankı 1b rakamgösterilir. Resim 2 (Tb, kırmızı eğri) alt ve üst (Tt, siyah eğri) plakalar sıcaklık değişiklikleri gösterir. Bu iki plakalarının sıcaklığı olduğunu hemen hemen aynı oda sıcaklığında (24 ° C) olarak başlangıçta gösterilir. 641 = t s, üst soğutma ve alt-Isıtma uygulanır. Daha sonra Tb Tt zaman 7683 s ulaşıncaya kadar hemen hemen sabit iken hızla, 57 ° c, 24 ° c artmaya başlar. Bu zaman aralığında, bu Isıtma yukarı doğru sıvı transfer edilir ancak üst plaka ulaşmamış bekleniyor. Yaklaşık t = 8000 s, Tb elde en fazla, 57 ° C ve Tt başlar yavaş yavaş, artırmak hangi alt Isıtma üst plaka ulaştığı anlamına gelir. O andan itibaren tüm depo DC merdiven yapıları tamamen dolu. O zaman alt plaka sıcaklığı azalmaya başlar ve üst plaka sıcaklık artmaya devam ediyor. 14800 = yaklaşık t s, Tb ve Tt değiştirmek aniden, tank son arabirimde kaybolması karşılık gelir. Daha sonra Tb ve Tt tüm sabit akış durumu Rayleigh-Bénard konveksiyon26için ait olduğu yerde sabit değerleri, yaklaşın.
Şekil 3a gösterir t alınan bir anlık shadowgraph görüntü 3375 s =. Orada üç arabirimi ve üç convecting katmanlar içinde belgili tanımlık tank. Arabirimi, büyük yoğunluk (veya dizin bir kırılma) degrade, güçlü ışık şiddeti dalgalanma yaratan bulunmakla birlikte convecting katmanında, sıvı yoğunluğu homojen,. Şekil 3b gösterir yoğunluğu dalgalanma profil <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, nerede konumlarını <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> tepeler bu arabirimlerden birine karşılık gelen. Şekil 3 c gösterir yoğunluğu dalgalanma profil <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> shadowgraph görüntü zamanın bir fonksiyonu olarak <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>. DC merdiven zamansal evrimi sergileyen denemede, dinamik süreçler ile yani katman üretimi, geliştirme ve kayboluşu eşlik etti. Sistem ısıtmalı, convecting bir tabaka oluşturur ve yavaş yavaş sistemi alttan kalınlaşır. Keskin bir arabirim convecting katman ve yukarıdaki statik sıvı arasında yatıyor. Arabirim üzerinde yeni bir convecting katman oluşturur bir belirli kalınlığı, alt tabaka convecting ulaştığında. Bu arada, convecting katmanları ve arabirimleri yukarı doğru göç. Yeni bir convecting katman üzerinde en üst arabirimi oluşturur kadar benzer bir süreç devam eder. Evrim sürecinde iki bitişik katmanları birleştirme veya bir katman tarafından başka bir aşınmış. Yönü hakkında t = 8000 s, tüm tank tarafından yedi convecting kat dolu. Bundan böyle, katman birleştirme tek bir süreçtir ve yavaş yavaş katman sayısını azaltır. 14800 = hakkında t, s, sadece tek bir convecting rulo var tüm tankı sonra son arabirimi kaybolur ve konvektif akış durumu istikrarlı bir Rayleigh-Bénard konveksiyon yaklaşım. Şekil 2 ve Şekil 3 c' de gösterildiği gibi üst ve alt plakaların sıcaklık farkları merdivenler dinamik değişiklikler ilişkili değerlerdir. Kaydedilen sıcaklık ve tuzluluk profilleri Şekil 4' te gösterilmiştir. Sıcaklık ve tuzluluk profilleri sürekli 1,5 ° C tarafından kaydırılır ve 3.0 g/kg, sırasıyla, daha iyi açıklamak unutmayın. 404 zaman aralığıdır iki komşu profilleri arasında s. Bu şekilde, bu profiller açıkça dynamics değişiklikleri merdiven yapıların sergi. Merdivenler şekillerinin katmanları ile ilişkili değerlerdir ve arabirimleri kaydedildi shadowgraph ölçümleri (Şekil 3 c).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58316/58316fig1.jpg"> Şekil 1. Deneysel kurulumunun şematik (a) ana bileşen parçaları deneysel kurulumu. (b) çalışma tank kurulumu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58316/58316fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58316/58316fig2.jpg"> Şekil 2. Sıcaklık değişiklikleri (kırmızı eğri) alt ve üst (siyah eğri) plakalar deney sırasında. Gri eğrisi ortam sıcaklığını gösterir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58316/58316fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58316/58316fig3.jpg"> Şekil 3. Anlık shadowgraph görüntü ve post-işleme (a) Shadowgraph görüntü t = 3375 s, (b) yoğunluk dalgalanma boyunca z yönünde, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, görüntü yoğunluk Şekil 3a, DC desen renk gölgelendirme gösteren ile (c) Temporal evrimi ' <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg">. Beyaz kesikli çizgi Şekil 3b' gösterilen profil karşılık gelir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58316/58316fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58316/58316fig4.jpg"> Şekil 4. Art arda gelen DC evrim profilleri. Top: Sıcaklık profilleri, alt: tuzluluk profilleri. 1,5 ° c sıcaklık ve tuzluluk 3.0 g/kg komşu profilleri arasında artırımlarıyla uygulanır. 404 zaman aralığıdır iki komşu profilleri arasında s. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58316/58316fig4large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection at JoVE.com

Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

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.

Diffusive konveksiyon merdiven yapıların evrimi

Diffusive convection (DC) occurs when the vertical stratified density is controlled by two opposing scalar gradients that have distinctly different ...

evolution-of-staircase-structures-in-diffusive-convection

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Environment

6.4K Görüntüleme.  Chinese Academy of Sciences. 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.

Video: Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed that, under the proper conditions, ice can be produced when water is introduced to a bath of cold brine. To make ice form, in addition to having the brine and water mix, the rate of heat transfer must bypass that of mass transfer. When water is introduced in the form of tiny droplets to the brine surface, the mode of heat and mass transfer is by diffusion. The buoyancy stops water from mixing with the brine underneath, but as the ice grows thicker, it slows down the rate of heat transfer, making ice more difficult to grow as a result. When water is introduced inside the brine in the form of a flow, a number of factors are found to influence how much ice can form. Brine temperature and concentration, which are the driving forces of heat and mass transfer, respectively, can affect the water-to-ice conversion ratio; lower bath temperatures and brine concentrations encourage more ice to form. The flow rheology, which can directly affect both the heat and mass transfer coefficients, is also a key factor. In addition, the flow rheology changes the area of contact of the flow with the bulk fluid.

Here, we present a protocol to demonstrate the generation of ice when water is introduced to a cold bath of brine, as a secondary refrigerant, at a range of temperatures well below the freezing point of water. It can be used as an alternative way of producing ice for industry.

Buz Üretimi ve tuzlu su bir soğuk Bath Tanıtımı Su Isı ve Kütle Transferi

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

Mühendislik

Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and tortuosity). Secondary flow structures are vortical flow patterns that occur in curved arteries due to the combined action of centrifugal forces, adverse pressure gradients and inflow characteristics. Such flow morphologies are greatly affected by pulsatility and multiple harmonics of physiological inflow conditions and vary greatly in size-strength-shape characteristics compared to non-physiological (steady and oscillatory) flows 1 - 7.
Secondary flow structures may ultimately influence the wall shear stress and exposure time of blood-borne particles toward progression of atherosclerosis, restenosis, sensitization of platelets and thrombosis 4 - 6, 8 - 13. Therefore, the ability to detect and characterize these structures under laboratory-controlled conditions is precursor to further clinical investigations.
A common surgical treatment to atherosclerosis is stent implantation, to open up stenosed arteries for unobstructed blood flow. But the concomitant flow perturbations due to stent installations result in multi-scale secondary flow morphologies 4 - 6. Progressively higher order complexities such as asymmetry and loss in coherence can be induced by ensuing stent failures vis-&#224;-vis those under unperturbed flows 5. These stent failures have been classified as &#34;Types I-to-IV&#34; based on failure considerations and clinical severity 14.
This study presents a protocol for the experimental investigation of the complex secondary flow structures due to complete transverse stent fracture and linear displacement of fractured parts (&#34;Type IV&#34;) in a curved artery model. The experimental method involves the implementation of particle image velocimetry (2C-2D PIV) techniques with an archetypal carotid artery inflow waveform, a refractive index matched blood-analog working fluid for phase-averaged measurements 15 - 18. Quantitative identification of secondary flow structures was achieved using concepts of flow physics, critical point theory and a novel wavelet transform algorithm applied to experimental PIV data 5, 6, 19 - 26.

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to "Type IV" failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant "Type IV" stent failures.

180 ° Kavisli Arter Testi Bölüm Model Tip IV Stent Başarısızlık Mansap İkincil Akış Yapıların Deneysel İncelenmesi

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and ...

Biyomühendislik

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of first injecting fluorescent dye directly into a pipe filled with distilled water and allowing it to diffuse across the cross-section of the pipe to obtain a uniformly distributed initial condition. Following this period, the laminar flow is activated with a programmable syringe pump to observe the competition of advection and diffusion of the tracer through the pipe. Asymmetries in the tracer distribution are studied and correlations between the pipe cross-section and the shape of the distribution is shown: thin channels (aspect ratio &#60;&#60; 1) produce tracers arriving with sharp fronts and tapering tails (front-loaded distributions), while thick channels (aspect ratio ~1) present the opposite behavior (back-loaded distributions). The experimental procedure is applied to capillary tubes of various geometries and is particularly relevant to microfluidic applications by dynamical similarity.

A protocol for the study of the diffusion of passive tracers in laminar pressure-driven flow is presented. The procedure is applicable to various capillary pipe geometries.

Laminer kesme akışı pasif izleyiciler Difüzyon

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

Termal Gradyan Ortamında Erken Toprak Hidrotermal Bacalarının Simülasyonu

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Çevre

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Ölçeklenebilir pul baskı ve Hemiwicking yüzeyler imalatı

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary convection in an annular liquid pool is one of the 19 scientific experimental projects on the SJ-10 recoverable satellite. Presented is a design for a payload for space experimental study on thermocapillary convection that includes the experimental model, measurement system, and control system. The specifics for the construction of an experimental model of an annular liquid pool with variable volume ratios is provided. The fluid temperatures are recorded by six thermocouples with a high sensitivity of 0.05 &#176;C at different points. The temperature distributions on the liquid free surface are captured by means of an infrared thermal camera. The free surface deformation is detected by a displacement sensor with a high accuracy of 1 &#181;m. The experimental process is fully automated. The research is focused on thermocapillary oscillation phenomena on the liquid-free surface and convective pattern transitions through analyses of experimental data and images. This research will be helpful to understand the mechanism of thermocapillary convection and will offer further insights into the nonlinear characteristics, flow instability, and bifurcation transitions of thermocapillary convection.

A protocol for the space payload design, the space experiment on thermocapillary convection, and analyses of experimental data and images are presented in this paper.

SJ-10 Kurtarılabilir Uyduda Termokapiller Konveksiyon Uzay Deneyi

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary ...

Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed experimental data regarding free surface vortices are lacking, particularly regarding the turbulence at the interface. The present paper reports on a special type of free surface vortex first proposed by Walter Schauberger in the 1960s that has an oxygen volumetric mass transfer coefficient exceeding the value of similar systems. This special type of vortex forms in a hyperbolic funnel. Different stable regimes can be stabilized with different hydraulic characteristics. Other advantages of this technology are its energy efficiency, simple design, and scalability. The flow in this hyperbolic funnel is characterized by strong turbulence and an increased surface area of the air-water interface. The local pressure strongly varies along the surface, resulting in a pronounced wavey air-water boundary layer. Due to the helical flow, these perturbations move inward, pulling the boundary layer with them. The resultant pressure gradient draws a certain air volume into the water vortex. The construction of the basic hyperbolic funnel setup and operational examples, including high-speed visualization for three different stable regimes, are presented in this work.

This paper describes how three different water vortex regimes in a hyperbolic Schauberger funnel can be created, their most important characteristics, and how associated parameters such as the oxygen transfer rates can be calculated.

Serbest Yüzeyli Hiperbolik Su Girdaplarının Hazırlanması

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed ...

Flow Visualization in a Water Tunnel: Observing the Leading-edge Vortex Over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The delta wing, shown in Figure 1D, is a popular design in high-speed airplanes due to its superb performance in transonic and supersonic flight regimes. This type of wing has a small aspect ratio and high sweep angle, which reduces drag at high subsonic, transonic and supersonic flight regimes. The aspect ratio is defined as the wing span divided by the average chord <img align="middle" src="/files/ftp_upload/10459/10459eq1a.jpg" />.
An important advantage of the delta wing is its high stall angle. The stall of a delta wing is delayed compared to the stall of a high aspect ratio wing. This is because the lift of a delta wing is enhanced by the leading-edge vortex over the wing.
An effective way to observe this vortex flow phenomenon and study the vortex breakdown in a delta wing is by visualizing the flow in a water tunnel. By injecting dye in the flow surrounding a model from dye ports on the leading-edge, the vortex development and breakdown can be observed and its position measured. The data can also be used to estimate the stall angle.
<img src="/files/ftp_upload/10459/10459fig1.jpg" />
Figure 1. Typical wing planform shapes: A) Rectangular, with constant chord along span, B) elliptical, C) tapered, with variable chord along the span, and D) delta wing, an aft-swept wing with zero taper ratio.

Flow in a Water Tunnel: Leading-edge Vortex over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The ...

Education

JoVE Science Education

Havacılık Mühendisliği

Steady, Laminar Flow Between Parallel Plates

Understanding steady, laminar flow between parallel plates is essential for analyzing and designing flow in narrow rectangular channels, commonly found in various water conveyance and drainage systems. The Navier-Stokes equations govern fluid motion and are generally challenging to solve due to their nonlinearity. However, simplifications are possible in certain cases, like the steady laminar flow between parallel plates. For this scenario, we assume steady, incompressible, laminar flow.
Considering two horizontal plates aligned along the x-axis and spaced a distance &#39;2h&#39; apart, with the y-axis perpendicular to the plates, fluid motion is assumed to be parallel. Here, the continuity equation indicates no change in velocity along the x-axis, and the Navier-Stokes equations reduce as follows:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
The equations in the y and z directions show no pressure gradient along these axes, indicating that pressure varies hydrostatically in the y-direction, allowing integration to yield:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 12px;" />
For parallel plates with a pressure gradient along the x-axis, the equation simplifies:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_3.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
By integrating twice and applying boundary conditions (u = 0 at y = +h and y = -h), we obtain:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_4.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
This expression reveals that the velocity profile across the gap between the plates is parabolic, with maximum velocity at y = 0, midway between the plates. The volumetric flow rate through a unit width of the plates is obtained by integrating the velocity profile across the gap.
Understanding laminar flow between parallel plates has practical applications in groundwater flow, wastewater treatment, and lubrication. For instance, this model can approximate flow in soil layers, where water moves between soil particles like flow between plates. Knowing the flow rate and velocity distribution helps engineers design efficient drainage systems and predict groundwater movement.

Paralel plakalar arasında sabit, laminer akış

Steady, laminar flow between two parallel plates describes fluid movement in a narrow, confined channel, often used to model simple fluid systems.
For ...

JoVE Core

Civil Engineering

Unit 1

Differential Analysis of Fluid Flow

KEY TERMS AND CONCEPTS

Steady, Laminar Flow in Circular Tubes

Hagen-Poiseuille flow describes a viscous fluid&#39;s steady, incompressible flow through a cylindrical tube with a constant radius R. This flow profile is often applied to understand fluid transport in narrow channels, such as capillaries. It serves as a foundational example of laminar flow. In this model, cylindrical coordinates (r,&#952;,z) are used to describe the radial (r), angular (&#952;), and axial (z) dimensions within the tube. For Hagen-Poiseuille flow, the velocity profile is purely axial, meaning the velocity vector points only along the z-axis and varies solely with the radial distance r from the center of the tube.
The governing equations for fluid motion, the Navier-Stokes equations, simplify under these conditions. Without angular or radial velocity components, the axial velocity vz(r) emerges as a function of r alone. Solving the reduced Navier-Stokes equations yields a parabolic velocity profile:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 1.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
This profile demonstrates that viscous drag decreases the fluid velocity from the maximum at the center to zero at the tube wall. This zero velocity at the boundary, known as the no-slip condition, results from the friction between the fluid and the tube wall. Consequently, the flow is laminar, with fluid particles moving in parallel layers without lateral mixing.
Integrating the velocity profile over the cross-sectional area of the tube yields the volumetric flow rate Q, known as Poiseuille&#39;s law:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 2.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
Where &#916;P is the pressure difference across the length L &#160;of the tube, and &#956; is the fluid&#39;s dynamic viscosity. This relation shows that Q is highly sensitive to the tube&#39;s radius, increasing with the fourth power of R. It follows that even a slight increase in radius significantly boosts the flow rate, a principle critical in fluid transport applications.
From Poiseuille&#39;s law, the mean velocity V of the fluid can be expressed as:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 3.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
This average velocity is precisely half of the maximum velocity at the tube&#39;s center, confirming the parabolic velocity distribution and demonstrating the predictable, layered nature of laminar flow in a cylindrical tube.

Dairesel tüplerde sabit, laminer akış

Consider steady, incompressible flow through a straight cylindrical tube of constant radius R, known as Hagen&#8211;Poiseuille flow.
The cylindrical ...