Summary
拡散対流 (DC) は広く自然のプロセスと同種の対流層と成層界面と階段の連続によって特徴付けられる、エンジニア リング アプリケーションで発生します。実験手順、長方形タンクの生成、開発および消失を含む、DC 階段構造の進化プロセスをシミュレートする説明します。
Abstract
拡散対流 (DC) 密度が 2 つの異なる分子拡散スカラーのグラデーションに反対によって制御されより大きいと、小さい-拡散スカラー勾配が正と負の垂直層状するときに発生します密度分布のための貢献それぞれ。DC は、多くの自然のプロセスと工学的応用、海洋学、天体物理学、冶金などで発生します。海洋の DC の最も顕著な特徴の 1 つは鉛直水温・塩分分布が厚い均一対流層と比較的薄いと高勾配インタ フェース連続ステップの階段のような構造であることです。DC 階段は北極と南極海を中心に、いろいろな海で観察されているし、海洋循環と気候変動に重要な役割を果たします。北極海における上部と深い海の流域と永続的な DC の階段が存在します。DC プロセスは深層海洋上層の混合に重要な影響を及ぼすし、表面の氷の融解に大きく影響があります。実験観測の制限に比べると、そのユニークな利点 dc、動的・熱力学的プロセスを効果的に調べる境界条件と制御のパラメーターを厳密に調整できますのでを示しています。ここでは、詳細なプロトコルと成層の食塩水で満たされた長方形タンクの生成、開発および消失を含む DC 階段構造の進化プロセスをシミュレートする説明です。実験のセットアップ、進化プロセス、データ分析、および結果の検討は、詳細で説明されます。
Introduction
二重拡散対流 (DDC) は、最も重要な垂直混合プロセスのひとつです。それは、層状水の列の垂直方向の密度分布がコンポーネントが異なる分子拡散1をある反対の方向の 2 つ以上のスカラー部品勾配によって制御されるときに発生します。それは広く海洋2雰囲気3、地質学4、天体物理学5、材料科学6冶金7、および建築工学8で発生します。DDC は、世界の海洋のほとんど半分で現在、海洋のマルチ スケール プロセスとも気候変動9に対する重要な効果です。
DDC の主に 2 つのモードがある: 塩の指 (SF) と拡散対流 (DC)。SF は、暖かく、塩辛い水固まり成層環境でクーラー、新鮮な水を覆います。暖かく、塩辛い水は冷たい、新鮮な水の下にある、DC が形成されます。DC の顕著な特徴は、水温・塩分・密度の鉛直分布が階段のようより均一に対流する層と薄く、強く成層界面によって構成されることです。DC は高緯度の海や北極海や南極海などのいくつかの内部の salt 湖で主にオホーツク海、紅海、アフリカのキブ湖10発生します。北極海の流域と永続的な DC 階段上部と深い海11,12が存在します。それは深層海洋上層の混合に重要な影響を及ぼすし、氷の融解、最近海洋コミュニティ13より多くの興味をそそりますに大きく影響があります。
DC 階段構造最初 1969年14で、北極海で発見されました。その、パッドマン ・ ディロン15後、ティンメルマンスら。11、Sirevaag & Fer16周・魯12、ガスリーら。17Bebieva ・ ティンメルマンスは18、およびワイスマンら。19測定垂直方向を含む北極海の異なる流域で DC 階段と対流層とインターフェイス、深さと、階段の総厚さの水平スケール垂直伝で DC プロセスメソ渦と階段構造の時空変遷。シュミットら。20ゾンマーら21は、キブ湖の微細構造プロファイラーを用いて DC 階段を観察しました。彼らは主要な構造機能および DC の熱流束を報告、既存のパラメトリック式で測定した熱フラックスを比較します。コンピューターの処理速度を向上させると DC のシミュレーションが行われている最近、たとえば、インターフェイスを確認する構造と不安定性、インターフェイスを通じて熱伝達層の結合イベント22,23,24。
フィールド観測、海洋学者の海 DC の理解を大幅に強化が、測定は強く中間海洋流れ環境と楽器によって制限されます。たとえば、DC インターフェイスは、非常に小型の垂直方向のスケールをいくつか湖や海で25、0.1 m よりも薄いといくつかの特別な高解像度の器具が必要があります。実験では、DC の基本的な動的・熱力学的法則を探究することに独特な利点を示しています。室内実験と DC 階段の進化を観察、温度と塩分濃度測定、海洋アプリケーション26,27のいくつかのパラメーター化を提案できます。さらに、研究室の実験では、制御パラメーターと条件が容易に調整必要に応じて。たとえば、ターナーは最初 1965 年に実験室で DC 階段をシミュレートし、頻繁に更新され、その場で海洋観測28 で広く使用されて拡散界面熱伝達のパラメーター化を提案.
本稿で詳細な実験的プロトコルと DC 階段を下から加熱成層の食塩水で生成、開発および消失を含むの進化プロセスをシミュレートする説明です。水温・塩分は、影絵を用いた監視されている DC 階段と同様、マイクロ スケール装置によって測定されます。実験のセットアップ、進化プロセス、データ分析、および結果の検討は、詳細で説明されます。初期と境界条件を変えることによって現在の実験設定とメソッドを海洋の水平対流、深海熱水噴火、表層混合層の深化の効果などの他の海洋現象をシミュレートするために使用できます。潜水艦が海洋循環上の地熱です。
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Protocol
1. ワーキング タンク
注: 実験は長方形タンクで実施です。タンクは、上部と下部のプレートと側壁に含まれます。上部と下部プレートは、めっき表面の銅から成っています。トップ プレートの中で水室があります。電気加熱パッドは、底板に挿入されます。側の壁は透明なプレキシ グラス製です。水槽サイズは Lx 257 mm (長さ)、Lyを = = 65 mm (幅)、Lz = 257 mm (高さ)。側壁の厚さ 9.5 mm です。
- 銅のプレートと蒸留水で慎重にプレキシ ガラス側壁をきれい。
- タンクは水が漏らないようにネジを使用してタンクを組み立てます。
- 光学テーブルのステンレス製サポート フレーム (高さ 150 mm) を設定し、テーブルに現用戦車からの熱漏れを制限するスラブ断熱の間にフレームの上タンクを修正します。
- 各プレートに 3 つのサーミスタ (0.01 ° C の温度の安定性) を挿入し、デジタルマルチメータに接続します。上部と下部の板の温度を監視するこれらのサーミスタを使用に注意してください。
- タンク内微小導電率と温度計測器 (MSCTI) を配置、多機能データ集録 (MDA) に接続します。モーターを備えられた高精度翻訳段階 (MPTS) に MSCTI を修正します。
注: 作動流体の水温・塩分プロファイルを達成できるように、MSCTI が垂直方向に移動して、上下に移動できます注意してください。ここで、MSCTI、0.01 ° C と塩分の安定性は 1% の温度安定性です。MPTS が 0.005 mm の位置精度です。 - デジタルマルチメータと多機能データ集録、サンプリング レート、データ集録チャンネル ストレージ パスなどの対応するソフトウェア プログラムでパラメーターを設定します。ここでは、それぞれ 1.0 と 128 Hz としてデジタル マルチ メーターとマルチファンクションのデータ集録のサンプリング レートを設定します。
- MPTS、初期位置を含む最低と最高の位置、移動速度、加速度、MSCTI のソフトウェア プログラムで移動パラメーターを設定します。ここでは、1 mm/秒と 0.5 mm/s2、移動の速度と加速度を設定し、20 と 220 mm 底板上に最小値と最大位置を設定します。これは 404 の MPTS の期間につながる上下測定のための s。低い位置で、MSCTI の初期位置を設定します。
- 部屋の温度にほぼ一定な 2 つの高出力のエアコン (3000 W の作業力) 約 24 ° C に保ちます。
2. 光学機器
注: 実験中に DC 階段の進化が監視と満たされる影絵の手法をプロシージャの下
- タンクの外側のトレーシング ペーパー (25.7 cm × 25.7 cm) の一部を添付します。
- 狭いビームの LED ランプを光源として使用します。ほぼ平行光を生成することができますように、タンクの反対側から約 5 m の光のソースを配置します。了承 DC 実験中に流体構造の層が流体の密度変化 (屈折率の変化に対応する) のためトレーシング ペーパーに点灯します。
- 高速ビデオカメラを透写紙の同じ側に配置します。フルサイズのタンクを持つ層状構造を記録できるので、タンクから約 1 m です。
- ビデオカメラのサンプリング レートを設定します。サンプリング レートが階段の進化の詳細をキャプチャして適切なする必要がありますに注意してください。ここでは、ビデオカメラのサンプリング レートは、25 Hz です。
- 電源ランプとビデオカメラと若干のポーションや距離を調整、画像をオフにするようにビデオカメラで取り込むことができます。
3. 作動流体
- 2 つのタンクで生理食塩水と新鮮な水を準備します。
- それぞれの底からフレキシブル チューブ (外径 10 mm、内径 6 mm、長さ 10 cm) で 2 つの同じ長方形タンク (タンクおよびタンク B) に参加します。
- 塗りタンク塩水、塩 (すなわち、塩分濃度) の質量濃度は、この例では 60 g/kg です。
- 逆に包まれた新鮮な水の等量でタンク B を満たすし、電気磁気攪拌機を使用して連続的に流体を均一します。
- 両方のタンク内初期流体温度の室温 (24 ° C) と同じにしてください。
- 現用戦車で線形密度成層を確立します。
- 二重タンク法29を使用すると、現用戦車の塩水の初期の線形階層を確立できます。
- 現用戦車より高い 30 cm は、同じ高さにタンク A と B を配置します。お尻からタンク B と別の柔軟な管 (内径 2 mm、外径 5 mm、長さ 50 cm) の現用戦車に参加します。これらの 2 つのタンクで液圧差タンク B 内の液体は現用戦車にゆっくりと注入することができます。
- 0.45 mL で蠕動ポンプの流れの速度を制御/s. 注作業槽水充填の全体の時間は約 3 h29に基づいて作業タンクの下部に塩分計算
(1)
ここ SA, V, V0タンク、現用戦車の最終液量とタンク A (または B) の初期の液量の塩分濃度は、それぞれ。SB下部と上部に新鮮な水に塩分を使用して、初期階層 N0の浮力の周波数は、します。
(2)
g は重力加速度、ρ0は参照密度、β は塩分収縮係数。注 N0は、この例では 1.14 rad/秒として計算されます。
(1)
(2)4. 実験を実行しています。
- 現用戦車の境界条件を設定します。
- トップ プレートの水室部を 8 等分プラスチック軟管 (内径 10 mm 外径 15 mm、長さ 150 cm) を使用した冷凍サーキュレータに接続します。トップ プレートの温度が冷蔵サーキュレータの温度に依存することに注意してください。部屋の温度 (24 ° C) と同じようにトップ プレートの温度を設定します。
- 底板内部電気加熱パッドを接続すると、直流電流を供給します。うに計算されるこの実験中にメモ一定熱流束は作動流体に提供されて
(3)
U、R、および A は供給電圧、電気抵抗、電気暖房の有効面積パッド、それぞれ。この例では抵抗と有効面積は、44.12 オームと 1.89 × 10-2 m2。60 V、総熱量を Fh 4317 W/m2供給電圧を設定します。
- フロー パターンを記録するビデオカメラを入れます。
- デジタルマルチメータ、上部と下部のプレートと温度の温度と、MSCTI を使用して液の塩分濃度を監視する多機能データ集録を入れます。
- 作動流体の温度と塩分濃度のプロファイルを達成するために上下に MSCTI を移動する MPTS を入れます。
- 冷蔵サーキュレータと作動流体の上部と下部の境界条件を達成するために直流電源を入れます。
メモ全体の実験は生成、開発、没入、および DC 階段の消失を経験し、それが続く約 5 時間。DC の階段の消失後、電源を切り、直流を供給、冷蔵サーキュレータ、MPTS、デジタルマルチメータ、多機能データ集録、ビデオカメラ順番。
(3)5 データ処理
- 影絵のイメージ
- Matlab プログラムを使用して、さらなる分析のための連続画像をビデオカメラで記録されたビデオを変換します。タンク内のフロー パターンを強調するためにこれらのイメージを調整します。どこ私として (x, z) は、デジタル画像の輝度を設定 (x, z) イメージの左下隅を原点との水平および垂直座標を示します。(X, z) に変化に注意してください (0, 1) 256 のグレーのレベルで。30として各画像で背景イメージを正規化します。
(4)
どこ
冷・暖房適用されて前に撮影した 10 の画像の平均輝度は、 
i の強度を示すthイメージ。この方法で画像の静止した欠陥を削除できます。DC パターンの時間発展を検討するために各イメージを単一の縦強度変動プロファイルに変換できる
、(すなわち強度の二乗) に沿ってイメージ強度変動を計算することによって、水平方向。強度変動分布をプロットDC 階段の進化を見るには時間の増加と共に連続画像。
- Matlab プログラムを使用して、さらなる分析のための連続画像をビデオカメラで記録されたビデオを変換します。タンク内のフロー パターンを強調するためにこれらのイメージを調整します。どこ私として (x, z) は、デジタル画像の輝度を設定 (x, z) イメージの左下隅を原点との水平および垂直座標を示します。(X, z) に変化に注意してください (0, 1) 256 のグレーのレベルで。30として各画像で背景イメージを正規化します。
- 水温・塩分プロファイル
- この実験では上下移動 MSCTI で温度の鉛直分布と加工液の塩分濃度測定に注意してください。一時的な高さ、移動速度 w、時間 t、(最も低い位置に対応する) 開始時間 t0 、最も低い位置 hL平均値を持つ MSCTI の時間 (t) を計算し、最高 hH、として配置
(5)
どこ
は、MSCTI 期間最低 (最高値) から最高 (最低) の位置から移動、n そして δ は、それぞれ整数部と小数部。計算として一時的な高さの場合
(6)
方程式 (6)、n が偶数の場合のノートで、MSCTI は移動です。それ以外の場合、MSCTI は下に移動です。時間シリーズ温度 T(t) と垂直方向の水温・塩分プロファイルを取得する高さの場合の面で塩分 S(t) をプロットします。
- この実験では上下移動 MSCTI で温度の鉛直分布と加工液の塩分濃度測定に注意してください。一時的な高さ、移動速度 w、時間 t、(最も低い位置に対応する) 開始時間 t0 、最も低い位置 hL平均値を持つ MSCTI の時間 (t) を計算し、最高 hH、として配置
(4)
冷・暖房適用されて前に撮影した 10 の画像の平均輝度は、 
i の強度を示すthイメージ。この方法で画像の静止した欠陥を削除できます。DC パターンの時間発展を検討するために各イメージを単一の縦強度変動プロファイルに変換できる
(5)
は、MSCTI 期間最低 (最高値) から最高 (最低) の位置から移動、n そして δ は、それぞれ整数部と小数部。計算として一時的な高さの場合
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Representative Results
実験装置の概略図を図 1に示します。そのコンポーネントは、プロトコルのとおりです。主要部品、図 1 aに示すように、詳細な現用戦車は図 1 bに示すように。図 2は、下部 (Tb、赤色の曲線) と (Tt、黒の曲線) トップ プレートの温度変化を示しています。それは 2 つのプレートの温度は、常温 (24 ° C) とほぼ同じ、最初は示されます。T = 641 s、上部冷却、下ヒーターが適用されます。その後、Tbは Ttはほぼ一定の時間に達する 7683 s まで、57 ° c、24 の ° C から急速に増加を開始します。この期間中に加熱流体に、上向きに転送されますがトップ プレートに達していないことが期待されます。約 t = 8000 の Tb実現の最大の 57 ° C と Tt開始、徐々 にトップ プレートを下暖房に達することを意味します。その時から、タンク全体が DC 階段構造の完全にいっぱいです。底板の温度が低下し始めるし、トップ プレートの温度が増加し続けています。約 t = 14800 s、Tbと Ttを突然、タンク内最後のインターフェイスの消失に対応する変更します。その後、Tbと Ttアプローチ定数値、全体の着実な流れの状態がレイリー-Bénard 対流26に属する。
図 3 a t で撮影した瞬時の影絵のイメージを示しています 3375 s を =。3 つのインターフェイスとタンクの 3 つの対流層があります。対流層の流体密度が均一、インターフェイス、大規模な密度 (または屈折率) で勾配が存在する間、強い光強度変動を生成します。図 3 bは、強度変動分布を示しています
、どこの位置ピークがこれらのインタ フェースに対応します。図 3 cは強度変動分布を示しています影絵イメージを時間の関数としての。それは DC 階段の変遷を展示動的プロセス、すなわちを伴う実験で、レイヤー生成、開発、および消失。一度システムを加熱すると、対流層を形成し、システムの底部から徐々 に濃くなります。鋭いインターフェイス対流層と上記の静的な流体の間にあります。とき層を対流する下部はインタ フェース上の新しい対流層フォーム所定の厚さに達する。一方、対流層と界面を上方へ移行します。同じようなプロセス新しい対流層を形成する最上位のインタ フェース上まで続きます。進化の過程で隣接する 2 つのレイヤーをマージ可能性があります、または 1 つのレイヤーに浸食されている別の 1 つ。T について = 8000 のタンク全体が 7 つの対流層で占められています。今後は、レイヤーのマージは、唯一の処理とレイヤーの数が徐々 に減少します。T について = 14800 s、対流ロールが 1 つだけ存在するタンク全体の後最後のインターフェイスが消失し、対流の流れの状態安定したレイリー-Bénard 対流のアプローチします。図 2と図 3 の cのように、上部と下部の板の温度差異が階段の動的な変更に対応します。記録された温度と塩分濃度プロファイルは、図 4のとおりです。水温・塩分プロファイルを 1.5 ° C によって移される継続的に 3.0 g/kg、それぞれより良いは明らかに注意してください。隣人の 2 つのプロファイル間の時間間隔は 404 s。この図で、これらのプロファイルは、明らかに階段構造のダイナミクスの変化を展示します。階段のパターン層と対応しているし、の記録されたインターフェイス影絵測定 (図 3 c)。
図 1。実験装置の概略図実験のセットアップの (a) のメイン部品。(b) 現用戦車のセットアップ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2。下部 (赤いカーブ) と実験中の上 (黒い曲線) プレート温度変化します。灰色の線は、環境温度を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3。瞬時の影絵のイメージと後処理t で (a) 影絵イメージ 3375 s、z 方向 (b) 強度ゆらぎを = 、図 3 a色の網かけが付いた DC パターンの (c) 側の進化で画像の輝度の.白破線は、図 3bに示すプロファイルに対応します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4。連続直流進化プロファイル。トップ: 温度プロファイル、下部: 塩分プロファイル。1.5 ° c 水温と塩分 3.0 g/kg 隣接プロファイル間の単位が適用されます。隣人の 2 つのプロファイル間の時間間隔は 404 s.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
本稿で詳細な実験的プロトコルは矩形容器内熱塩 DC 階段構造をシミュレートに記載されます。作動流体の初期密度成層は、2 つのタンクのメソッドを使用して構築されます。トップ プレートは、一定の温度と熱流束一定の 1 つ下で保持されます。DC の階段は、生成、発展、没入、消失などの全体の進化プロセスは、影絵を用いた可視化し、高精度プローブにより温度と塩分濃度の差異を記録しました。これらの測定と階段の変化を定性的観察 1 つだけでなく、温度、塩分、および密度の変化も定量的に解析。さらに、その場で海洋アプリケーション26,27の層の厚さと熱流束の差異をパラメーター化できます。いくつかの代表的な実験結果は表示され、数字の議論.
ステップ 3.2、現用戦車の初期密度成層の確立の間に現用戦車、戦車 B タンク A が接続されています。接続されている船舶の法律によって、タンク内の流体は自動的に B タンクに流れ込むし、仕事タンクにタンク B からの流入量は、正確に 2 回 wor の垂直線形密度勾配になることができます B タンクにタンク A から流体29を王します。5.1 の手順、プロファイルの局所的な最大輝度変動に基づく各インタ フェースの位置を識別できなかったこと;これは、DC のインターフェイスの位置に強力な照度変動があるためにです。
以前 DC 実験文献と比較して、現在の設定と方法水温・塩分プロファイルを測定し、流パターン画像を同期的に記録できます。時間的・空間的解像度が他の微細乱流構造と同様、薄いインターフェイスをキャプチャするには十分に高いです。このメソッドの主な制限は、現用戦車の外と内部間の熱交換記録されていない、正確な垂直方向の熱流束を測定する必要がある場合はさらに改善されるでしょう。
異なる目的のために必要なをこの実験の初期密度成層と境界条件に容易に制御できることとして指摘する価値があります。いくつかの複雑な労働条件が微妙な調整でも可能、2 タンク方法29 の現用戦車にタンク B から B のタンクにタンクから流量の比を調節することによって、非一様な成層を構築ことができますたとえば.そのため、現在の実験的設定とメソッドが海洋の水平対流、深海熱水噴火、表層混合層の発達の影響などいくつかの他の海洋現象をシミュレーションに適用することとされて潜水艦が海洋循環上の地熱です。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、中国の NSF の補助金 (41706033、91752108、41476167)、(2017A030313242 と 2016A030311042) Grangdong NSF の補助金および LTO 補助金 (LTOZZ1801) によって支えられました。
Materials
| 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 |
References
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