Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Diffusive konveksiyon merdiven yapıların evrimi

Published: September 5, 2018 doi: 10.3791/58316
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.

  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
      Equation 1(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
      Equation 2(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
      Equation 3(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.
  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
      Equation 4(4)
      nerede Equation 5 10 resim soğutma ve Isıtma uygulanmakta, daha önce alınan ortalama görüntü yoğunluğu bitti Equation 6 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 Equation 7 , birlikte görüntü yoğunluğu dalgalanma (yani, kök-ortalama-yoğunluğunu kare) hesaplayarak yatay yöndeki Equation 7 . Yoğunluk dalgalanma profilleri Arsa Equation 7 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 hL ortalamaya sahip, hesaplamak ve en yüksek olarak hH, pozisyon
      Equation 8(5)
      nerede Equation 9 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
      Equation 10(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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 Equation 7 , nerede konumlarını Equation 7 tepeler bu arabirimlerden birine karşılık gelen. Şekil 3 c gösterir yoğunluğu dalgalanma profil Equation 7 shadowgraph görüntü zamanın bir fonksiyonu olarak Equation 7 . 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).

Figure 1
Şekil 1. Deneysel kurulumunun şematik (a) ana bileşen parçaları deneysel kurulumu. (b) çalışma tank kurulumu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2. Sıcaklık değişiklikleri (kırmızı eğri) alt ve üst (siyah eğri) plakalar deney sırasında. Gri eğrisi ortam sıcaklığını gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3. Anlık shadowgraph görüntü ve post-işleme (a) Shadowgraph görüntü t = 3375 s, (b) yoğunluk dalgalanma boyunca z yönünde, Equation 7 , görüntü yoğunluk Şekil 3a, DC desen renk gölgelendirme gösteren ile (c) Temporal evrimi ' Equation 7. Beyaz kesikli çizgi Şekil 3b' gösterilen profil karşılık gelir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
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. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 Equation 7 ; 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Çevre Bilimleri sayı: 139 tabakalı sıvı Diffusive konveksiyon Merdiven yapı katman arabirim Convecting Shadowgraph tekniği
Diffusive konveksiyon merdiven yapıların evrimi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guo, S. X., Zhou, S. Q., Cen, X. R., … More

Guo, S. X., Zhou, S. Q., Cen, X. R., Lu, Y. Z. Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection. J. Vis. Exp. (139), e58316, doi:10.3791/58316 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter