Evolución de las estructuras de la escalera en convección difusión

Este método se puede utilizar para explorar los problemas clave en los procesos dinámicos de las estructuras de escaleras de convección difusiva, como su generación, desarrollo y desaparición. Con la configuración experimental actual, podemos ver claramente la evolución de la convección difusiva, que es muy difícil, si no imposible, de observar directamente en el océano. Reúna los componentes del tanque de trabajo.

Estos incluyen placas superiores e inferiores de cobre y un ensamblaje de pared lateral acrílica. La placa superior está galvanizada y encierra una cámara de agua a la que se puede acceder mediante tubos. También cuenta con lugares para termistores.

La placa inferior también está galvanizada y tiene ranuras para termistores. Contiene una almohadilla térmica. Use agua destilada para limpiar cuidadosamente las placas de cobre y las paredes laterales acrílicas.

Cuando termine, ensamble el tanque con tornillos para asegurarse de que sea hermético. Este tanque completo tiene 257 milímetros de largo y alto y 65 milímetros de ancho. En una mesa óptica, coloque un marco de soporte de acero inoxidable.

Encima del marco, coloque una losa aislante. Con todo en su lugar, coloque el tanque ensamblado en la losa. Inserte los termistores en las placas superior e inferior y conéctelos al sistema de adquisición de datos.

Un termistor controla la temperatura de la placa en la que se coloca. A continuación, coloque una plataforma de traslación vertical de precisión en su lugar para montar una sonda. A través de la placa superior, coloque un sensor de instrumento de conductividad y temperatura a microescala en el tanque.

Fije el instrumento a la etapa de traslación de precisión. Ahora, configure el software para la adquisición de datos del sensor y las lecturas del termistor. Regrese al tanque para ajustar la posición del sensor de conductividad y temperatura.

Establezca la posición inicial del sensor en su punto más bajo, aquí, 20 milímetros por encima del fondo del tanque. A continuación, establezca los parámetros del movimiento para la etapa de traslación del experimento. Utilice la técnica de gráfico de sombras para supervisar el experimento.

Para ello, coloque un trozo de papel de calco en el exterior de un lado del tanque. En el lado opuesto del tanque, a unos cinco metros de distancia, coloque una fuente de luz. Para producir un haz casi colimado, utilice un LED de haz estrecho como fuente de luz.

Coloque una videocámara de alta velocidad a aproximadamente un metro por delante del papel de calco en la trayectoria del haz. Con la lámpara y la videocámara encendidas, ajuste sus posiciones para obtener una imagen nítida. Obtenga dos tanques rectangulares idénticos para el fluido de trabajo.

Los tanques son del mismo tamaño que el tanque de trabajo. Únalos en su base con un tubo flexible con pinza, de 10 centímetros de longitud. Coloque los dos tanques a la misma altura.

Organice un tanque para tener un agitador eléctrico. A continuación, sujete un tubo flexible de 50 centímetros en una bomba peristáltica. Utilice el tubo para unir el tanque con el agitador al tanque de trabajo.

Llene el tanque que no tiene agitador con solución salina de 60 gramos por kilogramo de concentración. Llene el otro tanque con un volumen igual de agua dulce desgasificada. Una vez que los tanques estén llenos, suelte el tubo de conexión.

Homogeneizar continuamente el agua de amasado con el agitador eléctrico. Controle el caudal en el tanque de trabajo con la bomba peristáltica. El tanque de trabajo tarda aproximadamente tres horas en llenarse y estar listo para el experimento.

Para un experimento, use un circulador refrigerado para establecer las condiciones de contorno de la placa superior. En la placa superior, conecte la cámara de agua al circulador refrigerado mediante ocho tubos de plástico blando. En el circulador, ajuste la temperatura de la placa superior a la temperatura ambiente.

Ahora, conecte la almohadilla térmica de la placa inferior a una fuente de alimentación de CC y configure su nivel de energía. Encienda la videocámara para grabar el patrón de flujo. Comience a monitorear los datos de temperatura y salinidad.

A continuación, inicie el movimiento vertical del sensor. Finalmente, encienda el circulador refrigerado y la fuente de alimentación de CC para lograr las condiciones límite del fluido de trabajo. Este es un ejemplo de una imagen de gráfico de sombras tomada cuando la placa superior está a temperatura ambiente y la placa inferior se está calentando.

Hay tres capas de convección en la imagen, donde la densidad del fluido es homogénea. También hay tres capas de interfaz, donde existen grandes gradientes de densidad. Este perfil de fluctuación de intensidad tiene tres picos que corresponden a las interfaces.

Aquí está la evolución del perfil de fluctuación de intensidad en el tiempo, que revela la generación, desarrollo y desaparición de capas asociadas con la escalera de convección difusiva. El perfil de temperatura y el perfil de salinidad proporcionan otras vistas de la evolución en el tiempo del sistema. En estos perfiles, cada línea continua representa los datos recopilados durante 404 segundos.

Cada uno de los conjuntos de datos en el perfil de temperatura está desplazado en 1,5 grados centígrados con respecto al anterior. Para el perfil de salinidad, cada conjunto de datos se compensa en tres gramos por kilogramo con respecto al conjunto anterior. Este método también se puede aplicar para simular otros fenómenos en los océanos, como la circulación oceánica global, la profundización de la capa mixta y la erupción de penachos hidrotermales.

Si desea probar este procedimiento, recuerde ajustar inicialmente los sensores de conductividad y temperatura a la posición más baja de la etapa de traslación para evitar que el sensor se estrelle en la placa inferior. Con los resultados presentados, podemos desarrollar aún más una nueva parametrización del espesor de la capa, el flujo de calor y agregar difusividad en la convección difusiva, lo que allanaría el camino para que la comunidad de oceanografía física estudie los fenómenos en la aplicación oceánica.