扩散对流中阶梯状结构的演化

摘要

扩散对流（DC）在自然过程和工程应用中广泛存在，其特征是一系列具有均匀对流层和分层界面的阶梯状结构。本文描述了一种在矩形水槽中模拟扩散对流阶梯结构演化过程（包括生成、发展和消失）的实验方法。

摘要

扩散对流（DC）发生在垂直分层的密度由两个具有显著不同分子扩散率的相反标量梯度控制的情况下，其中扩散率较大的标量梯度对密度分布起负作用，而扩散率较小的标量梯度则起正作用。扩散对流现象广泛存在于许多自然过程和工程应用中，例如海洋学、天体物理学和冶金学。在海洋中，扩散对流最显著的特征之一是垂直温度和盐度剖面呈现出阶梯状结构，由一系列连续的台阶组成，每个台阶包括较厚的均匀对流层和相对较薄且梯度较高的界面层。这种扩散对流阶梯结构已在多个海洋区域被观测到，尤其是在北冰洋和南冰洋，并对海洋环流及气候变化具有重要作用。在北冰洋，上层和深层海洋中均存在覆盖整个海盆且长期持续的扩散对流阶梯结构。扩散对流过程对上层海洋的跨等密度面混合具有重要影响，并可能显著影响表层海冰的融化。与野外观测的局限性相比，实验室实验在有效检验扩散对流中的动力学和热力学过程方面具有独特优势，因为其边界条件和控制参数可以被精确调节。本文详细描述了一种在充满分层盐水的矩形水槽中模拟扩散对流阶梯结构演化过程的实验方案，包括其生成、发展和消失的全过程。文中详细介绍了实验装置、演化过程、数据分析方法以及结果讨论。

引言

双扩散对流（DDC）是最重要的垂向混合过程之一。当层化水柱的垂向密度分布由两种或多种具有显著不同分子扩散率且梯度方向相反的标量组分共同控制时，便会发生双扩散对流¹。该现象广泛存在于海洋学²、大气科学³、地质学⁴、天体物理学⁵、材料科学⁶、冶金学⁷和建筑工程学⁸中。双扩散对流几乎出现在全球一半的海洋区域，对海洋多尺度过程乃至气候变化均具有重要影响⁹。

双扩散对流（DDC）主要有两种模式：盐指（SF）和扩散对流（DC）。当温暖且高盐的水体覆盖在较冷、较淡的水体之上时，在层化环境中会发生盐指现象。当温暖且高盐的水体位于寒冷且低盐水体下方时，则会形成扩散对流。扩散对流的一个显著特征是其温度、盐度和密度的垂直剖面呈阶梯状，由交替出现的均匀对流层和薄而强分层的界面组成。扩散对流主要出现在高纬度海洋以及一些内陆盐湖中，例如北冰洋、南大洋、鄂霍次克海、红海和非洲的基伍湖¹⁰。在北冰洋中，上层和深层海洋中广泛存在且持久的扩....

方案

1. 工作罐

注意：实验在矩形水箱中进行。该水箱包含顶板和底板以及侧壁。顶板和底板由铜制成，表面经过电镀处理。顶板内部设有水腔。底板中插入有电加热垫。侧壁由透明有机玻璃（Plexiglas）制成。水箱尺寸为 L_x = 257 mm（长度）、L_y = 65 mm（宽度）和 L_z = 257 mm（高度）。侧壁厚度为 9.5 mm。

1. 用蒸馏水仔细清洁铜板和有机玻璃侧壁。
2. 用螺丝组装水箱，确保水箱密封不漏水。
3. 在光学平台上安装一个不锈钢支撑架（高度为150 mm），并通过中间放置隔热板将水箱固定在支架上方，以限制工作水箱向平台的热量泄漏。
4. 在每块板中插入三个热敏电阻（温度稳定性为0.01 °C），并将其连接至数字万用表。注意：这些热敏电阻用于监测顶部和底部板的温度。
5. 将微型电导率与温度测量仪（MSCTI）放入水箱内，并将其连接至多功能数据采集系统（MDA）。将MSCTI固定在电动精密平移台（MPTS）上。
   注意：MSCTI可通过垂直移动实现上下运动，从而获取工作流体的温度和盐度剖面。此处，MSCTI的温度稳定性为0.01 °C，盐度稳定性为1%。MPTS的位置精度为0.005 mm。
6. 在数字万用表和多功能数据采集系统的相应软件程序中设置参数，如采样率、数据采集通道和存储路径。此处，将数....

结果

图1展示了实验装置的示意图，其各个组成部分在实验方案中有详细描述。图1a显示了主要部件，图1b展示了详细的工作槽结构。图2显示了底部（T_b，红色曲线）和顶部（T_t，黑色曲线）平板的温度变化。可以看出，初始时两个平板的温度几乎与室温（24 °C）相同。在 t = 641 s 时，开始对顶部冷却、底部加热。随后，T_b迅速上升，从 24 °C 升至 57 °C，而 T_t几乎保持不变，直到时间达到 7683 s。在此时间段内，热量向上部流体传递，但尚未到达顶部平板。大约在 t = 8000 s 时，T_b达到最大值 57 °C，T_t开始逐渐上升，表明底部加热已传递至顶部平板。此后，整个槽内完全形成双扩散阶梯结构。随后，底部平板温度开始下降，顶部平板温度继续上升。大约在 t = 14.......

讨论

本文描述了一种在矩形水槽中模拟热盐双扩散阶梯结构的详细实验方案。采用双水箱法构建工作流体的初始线性密度分层。上板保持恒定温度，下板施加恒定热通量。利用阴影法对双扩散阶梯的整个演化过程（包括其生成、发展、合并与消失）进行可视化观测，并通过高精度探针记录温度和盐度的变化。基于这些测量数据，不仅可对阶梯结构的变化进行定性观察，还可对温度、盐度和密度的变化进行定量分析。此外，可对层厚和热通量的变化进行参数化研究。 原位 海洋应用^26,27一些具有代表性的实验结果在图中展示并加以讨论。

在步骤 3.2 中，为了建立工作槽的初始线性密度分层，需将 A 槽、B 槽与工作槽连接。根据连通器原理，A 槽中的液体自动流入 B 槽，且从 B 槽流入工作槽的流速恰好是从 A 槽流入 B 槽流速的两倍，从而可在工作流体中形成垂直方向上的线性密度梯度²⁹。在步骤 5.1 中，可根据剖面图中局部光强波动的最大值来确定各界面的位置 .......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
矩形水箱			定制部件
有机玻璃			定制部件
电加热垫			定制部件
蒸馏水			多家供应商
光学平台	联生公司	MRT-P/B
热敏电阻			定制部件
数字万用表	吉时利公司	型号 2700
微型电导率与温度测量仪（MSCTI）	PME 公司	型号 125
多功能数据采集仪（MDA）	MCC 公司	USB-2048
电动精密平移台（MPTS）	索雷博公司	LTS300
描图纸			多家供应商
LED 灯			多家供应商
摄像机	索尼公司	XDR-XR550
脱气淡水			定制部件
盐水			定制部件
柔性管			多家供应商
电磁搅拌器	美颖普公司	MYP2011-100
蠕动泵	智舜公司	DDBT-201
制冷循环器	波西公司	型号 9702
塑料软管			多家供应商
直流电源	通用电气公司	GPS-3030
Matlab	MathWorks 公司	R2012a