Article de méthode

Évolution des Structures d’escalier de Convection diffusion

DOI :

10.3791/58316

⸱

5 septembre 2018

 ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences

Dans cet article

Résumé

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Convection diffusion (DC) se produit couramment dans les processus naturels et les applications d’ingénierie, caractérisées par une série d’escaliers avec des couches de convection homogènes et interfaces stratifiés. Une procédure expérimentale est décrite pour simuler le processus d’évolution de la structure d’escalier DC, y compris la génération, le développement et la disparition, dans un récipient rectangulaire.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Convection diffusion (DC) se produit lorsque la verticale stratifiée densité est contrôlée par deux opposés des gradients scalaires qui ont nettement différents coefficients de diffusion moléculaires et les gradients scalaire de diffusivité plus grands et plus petits ont négatifs et positifs contributions pour la distribution de la densité, respectivement. Le contrôleur de domaine se produit dans de nombreux processus naturels et les applications d’ingénierie, par exemple, océanographie, astrophysique et la métallurgie. Dans les océans, une des caractéristiques plus remarquables du DC est que les profils verticaux de température et de salinité sont structure en escalier, composée d’étapes consécutives avec des couches épaisses de convection homogènes et interfaces relativement minces et forte pente. Les escaliers de DC ont été observés chez de nombreux Océans, en particulier dans l’Arctique et l’Antarctique des Océans et jouent un rôle important sur la circulation océanique et les changements climatiques. Dans l’océan Arctique, il existe des escaliers de DC-l’échelle du bassin et persistants dans les océans profonds et supérieurs. Le processus de DC a un effet important sur la diapycnal de mélange dans l’océan supérieur et peuvent influencer considérablement la surface-fonte des glaces. Par rapport aux limites des observations sur le terrain, expérience en laboratoire montre son unique avantage d’examiner efficacement les processus dynamiques et thermodynamiques dans DC, parce que les conditions aux limites et les paramètres contrôlés sont strictement réglables. Ici, un protocole détaillé est décrit pour simuler le processus d’évolution de la structure d’escalier DC, y compris de sa génération, le développement et la disparition, dans un récipient rectangulaire remplie d’eau salée stratifiée. Le montage expérimental, processus d’évolution, analyse et discussion des résultats sont décrites en détail.

Introduction

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Double convection diffusion (DDC) est l’un des plus importants processus mélange verticales. Elle survient lorsque la distribution de la densité verticale de la colonne d’eau stratifiées est contrôlée par deux ou plusieurs gradients de composantes scalaires de directions opposées, où les composants ont nettement différents coefficients de diffusion moléculaire1. Il est largement présent en océanographie2, l’atmosphère3, géologie4, astrophysique5,6de la science des matériaux, métallurgie7et génie architectural8. DDC est présent dans près de la moitié de l’océan mondial, et il a un effet important sur les processus multi-échelle océaniques et les changements climatiques même9.

Il y a deux modes principaux de DDC : sel doigt (SF) et convection diffusion (DC). SF se produit lorsqu’une eau chaude et salée masse recouvre l’eau plus fraîche, plus frais en milieu stratifié. Quand l’eau chaude et salée se trouve sous l’eau froide et fraîche, la DC formera. La caractéristique remarquable de la DC est que les profils verticaux de température, salinité et densité sont comme un escalier, composée par alternant homogène convecting couches et interfaces minces et fortement stratifiées. DC produit principalement dans les océans des latitudes élevées et certains lacs salés intérieurs, comme l’Arctique et l’Antarctique des Océans, la mer d’Okhotsk, la mer rouge et l’African Lake Kivu10. Dans l’océan Arctique, il existe des escaliers de DC-l’échelle du bassin et persistants dans les océans profonds et supérieur11,12. Il a un effet important sur la diapycnal de mélange dans l’océan supérieur et peut-être influencer considérablement la glace-fonte, qui a récemment suscite un intérêt de plus en plus dans l’océanographie communauté13.

La structure d’escalier de DC a été découvert dans l’océan Arctique en 1969,14. Après cela,15paradis & Dillon, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18et Shibley et al. 19 mesuré les escaliers DC dans différents bassins de l’océan Arctique, y compris à la verticale et échelles horizontales de l’interface, la profondeur et l’épaisseur totale de l’escalier et la couche de convection transfert, les processus de DC de chaleur de la verticale eddy de méso-échelle et les modifications temporelles et spatiales des structures escalier. Schmid et al. 20 et Sommer et coll. 21 a observé les escaliers DC à l’aide d’un profileur de microstructure dans le lac Kivu. Ils a signalé les caractéristiques de la structure principale et les flux de chaleur de DC et par rapport au flux de chaleur mesurée avec la formule paramétrique existante. Avec l’amélioration des vitesses de traitement de l’informatique, les simulations numériques de DC ont été faites récemment, par exemple, d’étudier l’interface structure et instabilité, transfert de chaleur par interface, événement qui fusionnent la couche et ainsi de suite22, 23 , 24.

Observation sur le terrain a grandement amélioré la compréhension des Océans DC pour les océanographes, mais la mesure est fortement limitée par les instruments et environnements de flux océanique pour une période indéterminée. Par exemple, l’interface DC a une très petite échelle verticale, plus mince que 0,1 m dans certains lacs et Océans25, et quelques instruments à haute résolution spéciaux sont nécessaires. L’expérience de laboratoire montre ses avantages uniques à explorer les lois fondamentales de dynamiques et thermodynamiques de DC. Avec une expérience en laboratoire, on peut observer l’évolution de l’escalier de la DC, mesurer la température et la salinité et proposer certains paramétrages pour les applications océaniques26,27. En outre, dans une expérience en laboratoire, les paramètres contrôlés et les conditions sont facilement ajustées selon les besoins. Par exemple, Turner a tout d’abord simulé l’escalier DC en laboratoire en 1965 et a proposé un paramétrage de transfert de chaleur à travers l’interface de diffusion, qui a été mis à jour fréquemment et largement utilisée en situ observations océaniques28 .

Dans cet article, un plan expérimental détaillé est décrit pour simuler le processus d’évolution de l’escalier de la DC, y compris la génération, le développement et la disparition, en stratifié eau saline chauffée par en dessous. La température et la salinité sont mesurés par un instrument de petite échelle, mais aussi les escaliers DC surveillés avec la technique des ombres. Le montage expérimental, processus d’évolution, analyse et discussion des résultats sont décrites en détail. En modifiant les initiales et les conditions aux limites, le présent dispositif expérimental et la méthode peuvent servir à simuler des autres phénomènes océaniques, tels que la convection océanique horizontale, éruptions hydrothermales en eau profonde, approfondissement de la couche de surface mixte, l’effet de sous-marin géothermique sur la circulation océanique et ainsi de suite.

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Protocole

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1. travail de réservoir

Remarque : L’expérience est réalisée dans une cuve rectangulaire. Le réservoir comprend les plaques supérieure et inférieure et un mur latéral. Les plaques supérieure et inférieure sont en cuivre avec surfaces électrolytiques. Il y a une chambre de l’eau dans la plaque supérieure. Un coussin de chauffage électrique est inséré dans la plaque de fond. La paroi latérale est en Plexiglas transparent. La taille du réservoir est fx = 257 mm (longueur), Ly = 65 mm (largeur) et Lz = 257 mm (hauteur). L’épaisseur de la paroi latérale est de 9,5 mm.

  1. Nettoyer les plaques de cuivre et la paroi de Plexiglas avec de l’eau distillée.
  2. Assembler le réservoir avec vis pour s’assurer que le réservoir est étanche à l’eau.
  3. Mettre en place une structure de support en acier inoxydable (hauteur de 150 mm) sur une table optique et fixer le réservoir au-dessus du cadre avec une dalle d’isolation entre les deux, la chaleur, ce qui limite les fuites de chaleur de la cuve de travail à la table.
  4. Insérez trois thermistances (stabilité de la température de 0,01 ° C) dans chaque assiette et connectez-les à un multimètre numérique. Notez que ces thermistances sont utilisés pour contrôler la température des plaques supérieure et inférieure.
  5. Placer une échelle microscopique conductivité et température Instrument (MSCTI) à l’intérieur de la cuve et branchez-le à une Acquisition de données multifonction (MDA). Fixer la MSCTI à une étape de traduction précision motorisés (MPTS).
    Note : Notez que le MSCTI peut être déplacé de haut en bas par le mouvement verticalement, afin que soient atteints les profils de température et de salinité du fluide de travail. Ici, le MSCTI a Constance de température de stabilité 0,01 ° C et de la salinité de 1 %. Les MPTS a précision de 0.005 mm.
  6. Définissez les paramètres correspondants logiciels le multimètre numérique et l’Acquisition de données multifonction, telles que des fréquences d’échantillonnage élevées, des canaux d’acquisition de données et des chemins d’accès stockage. Ici, de régler les fréquences d’échantillonnage du multimètre numérique et l’Acquisition de données multifonction comme 1,0 et 128 Hz, respectivement.
  7. Définissez les paramètres de déplacement dans le logiciel de la MPTS, y compris la position initiale, les positions minimales et maximales, déplacement, vitesse et accélération, de la MSCTI. Ici, définir la vitesse et l’accélération mobiles comme 1 mm/s et 0,5 mm/s,2et les positions minimales et maximales comme 20 et 220 mm au-dessus de la plaque de fond. Cela conduit à une période de temps de la MPTS de 404 s pour une mesure de haut-bas. Définir la position initiale de la MSCTI à la position la plus basse.
  8. Maintenir la température de la pièce presque constante autour de 24 ° C avec deux climatiseurs haute puissance (travail puissance 3000 W).

2. optique appareil

Remarque : Pendant l’expérience, l’évolution de l’escalier DC serait surveillée avec la technique de shadowgraph, qui est remplie avec les procédures ci-dessous

  1. Fixez un morceau de papier calque (25,7 cm x 25,7 cm) à l’extérieur de la citerne.
  2. Utiliser une lampe à faisceau étroit LED comme source lumineuse. Placer la source de lumière environ 5 m loin de l’autre côté de la cuve, afin qu’une lumière collimatée près peut être générée. Notez que pendant l’expérience, le contrôleur de domaine fluide structure posée est allumé sur le papier calque en raison du changement de densité (correspondant à la variation de l’indice de réfraction) du fluide.
  3. Placer un caméscope à grande vitesse du même côté du papier calque. Il est environ 1 m de la citerne afin que les structures en couches avec la cuve pleine grande peuvent être enregistrées.
  4. Définissez la fréquence d’échantillonnage du caméscope. Notez que la fréquence d’échantillonnage doit être appropriée capturer les détails les évolutions de l’escalier. Ici, le taux d’échantillonnage du caméscope est 25 Hz.
  5. Allumez la lampe et le caméscope et ajuster légèrement leurs potions et les distances, pour faire en sorte que des images claires peut être capturées par le caméscope.

3. fluide de travail

  1. Préparer les eaux salines et frais dans deux réservoirs.
    1. Rejoignez les deux cuves rectangulaires identiques (réservoir A et réservoir B) par un tube flexible (10 cm de long, diamètre intérieur 6 mm et 10 mm de diamètre extérieur) du fond de chacun d'entre eux.
    2. Remplissage de réservoir A à l’eau salée, sa concentration en masse de sel (c'est-à-dire, salinité) est de 60 g/kg dans cet exemple.
    3. Remplissez le réservoir B avec un volume égal d’eau douce de gazés et utiliser un agitateur magnétique électrique à homogénéiser en permanence le liquide.
    4. Gardez la température initiale du fluide dans les deux réservoirs identique à la température ambiante (24 ° C).
  2. Établir la stratification de densité linéaire dans la cuve de travail.
    1. Utilisez la méthode de double-réservoir29 pour établir une stratification linéaire initiale de l’eau salée dans le réservoir de travail.
    2. Placez le réservoir A et B à la même hauteur, qui est 30 cm plus haut que le réservoir de travail. Joignez-vous à réservoir B et le réservoir de travail avec un autre tube flexible (50 cm de longueur, 2 millimètres de diamètre intérieur et 5 mm de diamètre extérieur) de leurs fonds. En raison de la différence de pression du fluide de ces deux réservoirs, le liquide dans le réservoir B peut être injecté lentement dans la cuve de travail.
    3. Contrôler la vitesse d’écoulement avec une pompe péristaltique à 0,45 mL/s. Note tout le temps de remplissage d’eau pour le réservoir de travail est environ 3 h. calculer la salinité au fond de la cuve de travail basée sur29
      figure-protocol-1(1)
      où SA, V et V0 sont salinité de réservoir A, le dernier volume de liquide de la cuve de travail et le volume de fluide initial du réservoir A (ou B), respectivement. À l’aide de la salinité du bas SB et de l’eau douce dans la partie supérieure, la fréquence de flottabilité de stratification initiale N0 est
      figure-protocol-2(2)
      où g est l’accélération gravitationnelle, est référence masse volumique ρ0 et β est le coefficient de contraction de salinité. Remarque le N0 correspond à 1,14 rad/s dans cet exemple.

4. exécution de l’expérience

  1. Définir les conditions aux limites pour le réservoir de travail.
    1. Connecter le réservoir de la plaque supérieure à un circulateur réfrigéré avec huit tubes souples en plastique (150 cm de longueur, 10 mm de diamètre intérieur et 15 mm de diamètre extérieur) uniformément réparties. Notez que la température de la plaque supérieure dépend de la température du circulateur réfrigéré. Régler la température de la plaque supérieure à être identique à la température ambiante (24 ° C).
    2. Connectez le coussin chauffant à l’intérieur de la plaque de fond à une fourniture de courant continu. Remarque un flux de chaleur constant est fournie au fluide de travail au cours de cette expérience, qui est calculée comme
      figure-protocol-3(3)
      là où U, R et A sont la tension fournie, résistance électrique surface effective de la chauffage électrique touche, respectivement. Dans cet exemple, la résistance et la surface effective sont 44,12 ohm et 1,89 × 10-2 m2. Régler la tension fournie comme 60 V, pour que le flux de la chaleur totale Fh est 4317 W/m2.
  2. Allumer le caméscope pour enregistrer le modèle de flux.
  3. Allumez le multimètre numérique, Acquisition de données multifonction pour surveiller la température des plaques supérieure et inférieure et la température et la salinité du fluide à l’aide de la MSCTI.
  4. Allumez le MPTS pour déplacer le MSCTI up et down pour obtenir les profils de température et de salinité du fluide de travail.
  5. Allumez le circulateur réfrigéré et la fourniture de courant continu pour atteindre les conditions aux limites supérieure et inférieure du fluide de travail.
    Note : Note que l’expérience entière connaîtra la génération, le développement, mergence et disparition de l’escalier de la DC, et elle durera environ 5 heures. Après la disparition de tous les escaliers de DC, couper l’alimentation de courant continu, cryostat, MPTS, multimètre numérique, d’Acquisition de données multifonction et caméscope à son tour.

5. traitement des données

  1. Image de Shadowgraph
    1. Utilisez un programme Matlab pour convertir les vidéos enregistrées par le caméscope d’images successives pour une analyse ultérieure. Adapter ces images afin d’accentuer le motif de l’écoulement dans le réservoir. Régler l’intensité de l’image numérique comme je l’ai (x, z), où (x, z) désigne les coordonnées horizontales et verticales avec l’origine au coin inférieur gauche de l’image. Note I (x, z) varie sur (0, 1) avec le niveau de gris 256. Normaliser chaque image par une image d’arrière-plan que30
      figure-protocol-4(4)
      où figure-protocol-5 est l’intensité de l’image moyenne sur 10 images prises avant le refroidissement et le chauffage est appliqué, figure-protocol-6 désigne l’intensité de la ième image. De cette façon, défauts dans les images fixes peuvent être supprimés. Afin d’examiner l’évolution temporelle du modèle DC, chaque image peut être convertie en un profil de fluctuation intensité verticale unique, figure-protocol-7 , en calculant la fluctuation image intensité (c.-à-d., root-mean-square d’intensité) le long de la direction horizontale figure-protocol-8 . Tracer les profils de fluctuations d’intensité figure-protocol-9 des images successives ainsi que d’augmenter le temps de montrer les évolutions des escaliers DC.
  2. Profils de température et de salinité
    1. Remarque dans cette expérience, les profils verticaux de température et la salinité du fluide de travail sont mesurés par le MSCTI mouvement haut-bas. Calculer la hauteur temporelle, h (t), de la MSCTI avec la moyenne mobile vitesse w, temps t, le départ de t temps0 (correspondant à la position la plus basse), la plus basse position hL et de positionner plus haut hH, comme
      figure-protocol-10(5)
      où figure-protocol-11 la MSCTI évolue période postées plus bas (plus haut) au plus élevé (le plus bas), n et δ sont les parties intégraux et fractionnaires, respectivement. Calculez la hauteur temporelles h (t) comme
      figure-protocol-12(6)
      Remarque dans l’équation (6), si n est pair, la MSCTI se déplace vers le haut ; Sinon, le MSCTI se déplace vers le bas. Tracer le temps température série T(t) et la salinité terrestres en termes de hauteur h (t) pour obtenir les profils verticaux de température et de salinité.

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Résultats

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La figure 1 illustre le schéma de l’installation expérimentale. Ses composants sont décrites dans le protocole. Les parties principales sont indiquées dans la Figure 1 a et le réservoir de travail détaillée est illustré à la Figure 1 b. La figure 2 illustre les variations de température au fond (Tb, la courbe rouge) et les plaques de haut (T,t, la courbe noire). Il est indiqué que ...

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Discussion

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Un plan expérimental détaillé est décrit dans cet article pour simuler les structures d’escalier DC thermohaline dans une cuve rectangulaire. Une stratification de densité linéaire initiale du fluide de travail est construite à l’aide de la méthode de deux-réservoir. La plaque supérieure est maintenue à une température constante et le fond un flux de chaleur constant. Le processus de toute l’évolution de l’escalier de la DC, y compris de sa génération, le développement, mergence et disparition, sont visualisés avec la te...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par les subventions chinoises NSF (41706033, 91752108 et 41476167), les subventions Grangdong NSF (2017A030313242 et 2016A030311042) et les LTO concession (LTOZZ1801).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
RéservoirPièce sur mesure
PlexiglasPièce sur mesure
Coussinélectrique Pièce sur mesure
EauFournisseurs multiples
Table optiqueLiansheng Inc.MRT-P/B
ThermiostorsPièce sur mesure
Multimètre numériqueKeithley IncModèle 2700
Instrument de conductivité et de température à l’échelle microscopique (MSCTI)PME. Inc.Modèle 125
Acquisition de données multifonction (MDA)MCC. Inc.USB-2048
Platine de translation de précision motorisée (MPTS)Thorlabs Inc.LTS300
PapierPlusieurs fournisseurs
LampePlusieurs fournisseurs
CaméscopeSony Inc.XDR-XR550
douce dégazéePièce sur mesure
EauPièce sur mesure
Tube flexible Fournisseurs
multiples Agitateur magnétique électrique  ;Meiyingpu Inc.MYP2011-100
Pompe péristaltiqueZhisun Inc.DDBT-201
Circulateur réfrigéréPolyscience Inc.Modèle 9702
Tube souple en plastique Fournisseursmultiples
Alimentation en courant continuGE Inc.GPS-3030
MatlabMathWorks Inc.R2012a
rectangulaire chauffant distillée calque LED Eau salée

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Mots-clés

Structure en escaliertechnique de shadowgraphiecapteur de conductivit et de temp ratureplatine de translation de pr cisioneau saline stratifi ed veloppement de la g n ration de couchesprofil de temp rature et de salinitsimulation de la circulation oc aniqueconfiguration du bac exp rimental

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