퍼지는 대류에 계단 구조의 진화

요약

널리 퍼지는 대류 (DC) 자연 처리와 균질 convecting 레이어 층 화 인터페이스와 계단의 시리즈 특징 엔지니어링 응용 프로그램에 발생 합니다. 실험적인 절차 직사각형 탱크에서 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 DC 계단 구조의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다.

초록

밀도 엄연히 다른 분자 diffusivities, 스칼라 그라디언트 반대 2에 의해 제어 됩니다 있고 큰-와 더 작은-확산 스칼라 그라디언트 부정적이 고 긍정적인 방산 대류 (DC) 수직 층 화 때 발생 밀도 분포에 대 한 기여 각각. DC는 많은 자연 프로세스 및 엔지니어링 응용 프로그램, 예를 들면, 해양학, 천체 물리학 및 야 금에서 발생합니다. 바다에서 DC의 가장 놀라운 기능 중 하나입니다 수직 온도 염 분 프로필 계단 모양의 구조, 두꺼운 균질 convecting 레이어 및 상대적으로 얇고 높은 그라데이션 인터페이스 연속 단계 구성. DC 계단 북극과 남극 바다에 특히 많은 바다에서 관찰 되었습니다 그리고 바다 순환과 기후 변화에 중요 한 역할. 북극 바다에서 유역 및 영구 DC 계단 위와 깊은 바다에 존재 한다. DC 프로세스 diapycnal 위 바다에서 혼합에 대 한 중요 한 효력이 있으며 크게 표면 얼음 녹는 영향을 미칠 수 있습니다. 경계 조건 및 제어 매개 변수 엄격 하 게 조정 될 수 있기 때문에 필드 관측의 한계에 비해, 실험실 실험 dc, 역동적이 고 열역학적 과정을 효과적으로 검사 하는 독특한 장점을 보여줍니다. 여기, 상세한 프로토콜의 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 층 화 염 분 물으로 채워진 직사각형 탱크에서 DC 계단 구조의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다. 실험적인 체제, 진화 과정, 데이터 분석 및 토론 결과의 세부 사항에 설명 합니다.

서론

이중 방산 대류 (DDC) 가장 중요 한 수직 혼합 프로세스 중 하나입니다. 그것은 반대 방향으로 구성 요소는 분명히 다른 분자 diffusivities¹의 두 개 이상의 스칼라 구성 요소 기울기로 층 화 물 란의 수직 밀도 분포 제어 됩니다 때 발생 합니다. 그것은 널리 해양학², 분위기³, 지질학⁴,⁵천체 물리학, 재료 과학⁶, 야 금⁷및 건축 공학⁸에서 발생합니다. DDC는 세계 바다의 거의 절반에 그리고 해양 다중 스케일 프로세스와⁹도 기후 변화 중요 한 영향.

DDC에 대 한 두 가지 기본 모드가 있습니다: 손가락 (SF)와 퍼지는 대류 (DC) 소금. SF 발생 때 따뜻하고, 짠 물 질량 overlies 층 화 환경에서 쿨러, 신선한 물. 따뜻하고 짠 물 추위와 신선한 물 아래 거짓말, DC 형성할 것 이다. DC의 놀라운 기능은 온도, 염 분, 밀도의 수직 단면도 계단 같은 동질적인 레이어와 얇은, 강하게 층 화 인터페이스 convecting alternant에 의해 구성. 주로 DC 오호츠크 해, 홍 해 및 아프리카 고 마 호수¹⁰높은 위도 바다와 북극과 남극 바다 등 일부 인테리어 소금 호수에서 발생합니다. 북극 바다에서 유역 및 영구 DC 계단 위와 깊은 바다^11,12에서 존재 한다. Diapycnal 위 바다에서 혼합에 대 한 중요 한 효력이 있으며 크게 얼음-녹는, 최근 해양학 사회¹³에 점점 더 많은 관심을 자극 하는 영향을 미칠 수 있습니다.

DC 계단 구조 1969¹⁴북극해에서 처음 발견 되었다. 그, Padman & 딜 론¹⁵, 후 Timmermans 외. ¹¹, Sirevaag & 그다지¹⁶, 저 우 & 루¹², 오클라호마 외. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸, 그리고 Shibley 외. ¹⁹ 세로 포함 하 여 북극해의 다른 분 지에 DC 계단 측정 및 수평 저울 convecting 레이어 및 인터페이스, 깊이 계단의 총 두께의 수직 열 전달, DC 프로세스에서 mesoscale 에디 고 계단 구조의 시간적, 공간적 변화. 슈미트 외. ²⁰ 와 서머 외. ²¹ 고 마 호수에 미세 프로파일러를 사용 하 여 DC 계단을 관찰. 그들은 주요 구조 기능 및 DC의 열 플럭스를 보고 하 고 기존 패라메트릭 수식으로 측정된 열 플럭스를 비교. 컴퓨터 처리 속도 개선, DC의 수치 시뮬레이션 최근 완료 되었습니다, 그리고 예를 들어 인터페이스 검사 구조와 불안정, 인터페이스를 통해 열 전달 레이어 병합 이벤트^{22, 23 , 24}.

필드 관측은 크게 바다 DC 따옴표에 대 한 이해 향상 되지만 측정은 강하게 불확정 해양 흐름 환경 및 악기. 예를 들어 DC 인터페이스는 매우 작은 수직 규모 일부 호수와 바다²⁵, 0.1 m m 보다 얇은 있으며 몇 가지 특별 한 고해상도 악기 필요 하다. 실험실 실험 DC의 기본 동적 및 열역학 법칙을 탐험에 그것의 독특한 장점을 보여줍니다. 실험실 실험 하나 고 수 있습니다 DC 계단의 진화를 관찰, 측정 온도 염 분, 해양 응용^26,27에 대 한 일부 매개 변수화를 제안. 또한, 실험실 실험에서 제어 변수와 조건을 쉽게 조정 필요에 따라. 터너 처음 1965 년에 실험실에서 DC 계단을 시뮬레이션 하 고 자주 업데이 트 에 현장 해양 관측^{28에에서 광범위 하 게 사용 되는 방산 인터페이스를 통해 열 전달 매개 변수화 제안 예를 들어} .

이 문서에 자세한 실험 프로토콜 아래에서 열 층 화 염 분 물에서 생성, 개발 및 실종를 포함 하 여 DC 계단의 진화 과정을 시뮬레이션 설명 되어 있습니다. 온도 염 분 마이크로 스케일 악기 shadowgraph 기법으로 모니터링 되 고 있는 DC 계단에 의해 측정 됩니다. 실험적인 체제, 진화 과정, 데이터 분석 및 토론 결과의 세부 사항에 설명 합니다. 초기 조건과 경계를 변경 하 여 현재 실험적인 체제 및 방법을 사용할 수 있는 다른 해양 현상, 해양 수평 대류, 심해 열 수 분출, 표면 혼합된 층 심화,의 효과 시뮬레이션 잠수함에 해양 순환, 지 열.

프로토콜

1. 근무 탱크

참고: 실험 직사각형 탱크에서 수행 됩니다. 탱크 상단 및 하단 판과 측 벽에 포함 되어 있습니다. 상단 및 하단 플레이트 구리 전기 도금 표면 만들어집니다. 상단 플레이트 내에서 물 약 실이 있다. 전기 열 패드 하단 플레이트에 삽입 됩니다. 측 벽의 투명 한 유리 야 이루어집니다. 탱크 크기는 L_x 257 mm (길이), L_y = = 65 m m (폭) 및 L_z = 257 mm (높이). 측 벽의 두께 9.5 m m 이다입니다.

1. 구리 판과 증류수와 신중 하 게 유리 측 벽을 청소.
2. 탱크는 탱크 방수 되도록 나사를 조립 한다.
3. 광학 테이블에 스테인리스 스틸 지원 프레임 (150 m m의 높이)를 설정 하 고 테이블에 작업 탱크에서 열 누설을 제한 하는 슬 래 브 사이 절연 열 프레임 위에 탱크를 수정.
4. 각 접시에 3 개의 서미스터 (0.01 ° C의 온도 안정성)을 삽입 하 고 디지털 멀티 미터에 연결. Note이 서미스터는 상단 및 하단 플레이트의 온도 모니터링 하는 데 사용 됩니다.
5. 마이크로 스케일 전도도 및 온도 계기 (MSCTI)는 탱크 내부 놓고 다기능 데이터 수집 (MDA)에 연결 합니다. 동력된 정밀 번역 단계 (MPTS)에 MSCTI를 수정 합니다.
   참고: Note는 MSCTI 수 있습니다 수직으로 이동 하 여 아래로 이동할 수 있도록 작업 액체의 온도 염 분 단면도 달성 하는. 여기는 MSCTI는 1%의 0.01 ° C와 염 분 안정성의 온도 안정성. MPTS 0.005 m m의 위치 정확도 있다.
6. 디지털 멀티 미터와 다기능 데이터 수집, 샘플링 속도, 데이터 수집 채널 및 저장 경로 등의 해당 소프트웨어 프로그램에 매개 변수를 설정 합니다. 여기, 디지털 멀티 미터 및 다기능 데이터 수집의 샘플링 속도 1.0 및 128 Hz로 각각 설정.
7. MPTS, 초기 위치를 포함 하 여 최저 / 최고 위치, 속도 및 가속도 MSCTI의 이동의 소프트웨어 프로그램에서 이동 매개 변수를 설정 합니다. 여기, 1 mm/s와 0.5 m m/s², 이동 속도 가속도 설정 하 고 아래 접시 위에 20, 220 m m로 최저 / 최고 위치를 설정 합니다. 이것은 404 MPTS의 기간에는 업 다운 측정에 대 한 s. 가장 낮은 위치에 있는 MSCTI의 초기 위치를 설정 합니다.
8. 계속 실내 온도 거의 일정 한 두 개의 고 전력 에어컨 (3000 W의 작동 힘) 약 24 ° C.

2. 광학 장치

참고:, 실험 기간 동안 DC 계단의 진화 것 모니터링으로 성취 shadowgraph 기법으로는 절차 아래

1. 탱크의 외부에 추적 종이 (25.7 cm x 25.7 cm)를 연결 합니다.
2. 좁은 빔 LED 램프를 사용 하 여 광원으로. 거의 조명을 생성 될 수 있도록, 탱크의 다른 측면에서 광원 약 5 m를 놓습니다. 실험 DC 동안 유체 구조 계층은 액체의 밀도 변화 (굴절 색인의 변화에 대응 하는) 때문에 추적 종이에 조명.
3. 추적 용지의 같은 면에 고속 캠코더를 놓습니다. 그것은 탱크에서 약 1 m 대형 탱크와 계층된 구조를 기록 될 수 있도록입니다.
4. 캠코더의 샘플링 레이트를 설정 합니다. 참고 샘플링 속도 계단 발전의 세부 사항을 캡처하고 적절 한 이어야 한다. 여기, 캠코더의 샘플링 레이트 25 Hz입니다.
5. 램프와 캠코더, 그리고 약간 그들의 묘약과 거리를 조정, 그 이미지를 지우기 위해 캠코더에서 캡처할 수 있습니다.

3입니다. 작동 유체

1. 2 개의 탱크에 식 염 수와 신선한 물 준비.
   1. 각자의 하단에서 유연한 튜브 (10 ㎝ 길이, 내경 6 m m 외경 10 m m에)에 의해 두 개의 동일한 직사각형 탱크 (탱크 A와 탱크 B) 가입.
   2. 염 분 물, 소금 (즉, 염 분)의 대량 농도와 채우기 탱크 A 60 g/kg이 예제에서입니다.
   3. 드 기름 신선한 물의 동등한 양으로 탱크 B와 전기 자력을 사용 하 여 지속적으로 균질 액체.
   4. 실내 온도 (24 ° C)와 같은 두 탱크 내에서 초기 유체 온도 유지.
2. 일 탱크에서 선형 밀도 계층을 설정 합니다.
   1. 더블 탱크 방법²⁹ 를 사용 하 여 작업 탱크에서 염 분 물의 초기 선형 계층을 설정.
   2. 30 cm 작업 탱크 보다는 같은 높이에 탱크 A와 B를 배치 합니다. 그들의 바닥에서 다른 유연한 튜브 (2 m m 내부 직경에서 및 외부 직경에서 5 m m, 길이 50cm) 작업 탱크 탱크 B 가입. 이 두 탱크의 유체 압력 차이로 인해 유체 탱크 B에에서 천천히 작업 탱크에 주입 수 있습니다.
   3. 0.45 mL에서 연동 펌프 흐름의 속도 제어/미 참고 전체 물 작업 탱크에 대 한 시간은 약 3 헤 일 탱크의 바닥에 염 분²⁹ 에 따라 계산
      (1)
      어디 S_A, V와 V₀ 는 염 분 탱크, 작업 탱크의 최종 유체 볼륨 및 탱크 A (또는 B)의 초기 유체 볼륨의 각각. S_B 아래쪽과 위쪽에 신선한 물에는 염 분을 사용 하 여, 초기 계층 N₀ 의 부 력 주파수는
      (2)
      여기서 g는 중력 가속도, ρ₀ 기준 밀도 이며 β 염 수축 계수입니다. 참고 N₀ 이 예에서 1.14 rad/s로 계산 됩니다.

4. 실험 실행

1. 작업 탱크에 대 한 경계 조건을 설정 합니다.
   1. 상단 플레이트의 물 방 8 균일 하 게 분산된 플라스틱 부드러운 튜브 (10 mm 안 직경 및 외부 직경에서 15 mm, 길이 150 cm)와 함께 냉장된 circulator에 연결 합니다. 참고 맨 위에 접시의 온도 냉장된 circulator의 온도에 따라 달라 집니다. 실내 온도 (24 ° C)로 동일 하 게 상단 플레이트의 온도 설정 합니다.
   2. 직류 공급 하단 플레이트 내부 전기 난방 패드를 연결 합니다. 참고 열 유량으로 계산 된이 실험 동안 작동 유체에 제공 됩니다.
      (3)
      곳에 U, R 및 A는 공급된 전압, 전기 저항 및 전기 난방의 효과적인 지역 패드, 각각. 이 예제에서 저항 및 효과적인 지역은 44.12 옴, 1.89 × 10^-2 m². 60 V, 그래서 총 열 플럭스 F_h 는 4317 W/m²으로 제공 된 전압을 설정 합니다.
2. 흐름 패턴을 기록 하는 캠코더를 켜십시오.
3. 디지털 멀티 미터, 다기능 데이터 수집 위쪽 및 아래쪽 접시와 온도의 온도 염 분 액체는 MSCTI를 사용 하 여 모니터를 켭니다.
4. 위쪽 및 아래쪽 작업 액체의 온도 염 분 프로필을 달성 하기 위해 MSCTI를 이동 MPTS 켭니다.
5. 냉장된 circulator 및 작동 유체의 위쪽 및 아래쪽 경계 조건 달성 하기 위해 직접 전류 공급을 켭니다.
   참고: 참고는 생성, 개발, mergence, 및 DC 계단의 모든 실험 경험 하 고 그것은 지속 될 것 이다 대략 5 시간. 모든 DC 계단의 실종 후 해제는 직접 전류 공급, 냉장 Circulator, MPTS, 디지털 멀티 미터, 다기능 데이터 수집, 그리고 캠코더에.

5입니다. 데이터 처리

1. Shadowgraph 이미지
   1. Matlab 프로그램을 사용 하 여 추가 분석을 위해 연속 이미지를 캠코더로 녹화 된 비디오를 변환. 이러한 이미지는 탱크 내의 흐름 패턴을 강조를 조정할. 설정 디지털 이미지 강도 나로 (x, z), 어디 (x, z)는 이미지의 왼쪽 아래 모서리에 원점 가진 가로 및 세로 좌표를 나타냅니다. (X, z)에 따라 다릅니다 참고 (0, 1) 256 회색 수준. ³⁰ 으로 배경 이미지를 각 이미지 표준화
      (4)
      어디 10 이미지 적용 되 고, 난방 및 냉각 하기 전에 찍은 평균 이미지 강도 i의 강도 나타냅니다번째 이미지. 이 방법으로 이미지에 고정 된 결함을 제거할 수 있습니다. DC 패턴의 시간적 진화를 시험 하기 위하여 각 이미지 변환할 수 있습니다 하나의 수직 강도 변동 프로 파일, , 이미지 강도 변동 따라 (즉, 루트-의미-스퀘어 강도의)를 계산 하 여는 수평 방향 . 플롯 강도 변동 프로필 DC 계단의 발전을 표시 하는 시간을 증가 함께 연속 이미지의.
2. 온도 염 분 프로필
   1. 이 실험에서 온도의 수직 단면도 및 작업 액체의 염 분-아래로 움직이는 MSCTI에 의해 측정 됩니다. 시간 높이, 평균 이동 속도 w, 시간 t는 시작 시간 t₀ (가장 낮은 위치에 해당), 최저 위치 h_L 함께 MSCTI의 함수로 계산 하 고 가장 위치_H, h
      (5)
      어디 는 MSCTI 이동 기간 최저 (최고) 가장 높은 (낮은) 위치에서 n δ는 각각 정수 부분과 소수 부분. 다음으로 시간적 높이 함수로 계산
      (6)
      방정식 (6), n은 심지어 경우에 참고는 MSCTI는 이동 그렇지 않은 경우는 MSCTI 아래로 움직이고 있다입니다. 시간 시리즈 온도 T(t)와 염 분 S(t) 수직 온도 염 분 프로필을 높이 함수로 측면에서 플롯 합니다.

결과

그림 1 실험 설치의 회로도 보여준다. 구성은 프로토콜에서 설명 합니다. 주요 부품 그림 1a 에 표시 되 고 자세한 작업 탱크 1b를 그림에 표시 됩니다. 그림 2 (T_b, 빨간 곡선) 아래와 위쪽 (T_t, 검은 곡선) 접시에 온도 변화를 보여준다. 그것 두 접시의 온도 실내 온도 (24 ° C)와 거의 같은 처음 표시 됩니다. T = 641 s, 최고 냉각 및 바닥 난방 적용 됩니다. 그럼, T_b T_t 는 시간 7683 s에 도달할 때까지 거의 일정 한 반면 57 ° C, 24 ° C에서, 급속 하 게 증가 하기 시작 합니다. 이 시간 범위 동안 난방 액체에 위쪽으로 전송 하지만 상단 플레이트에 도달 하지 않은 전망 이다. 약 t = 8...

토론

이 문서에 자세한 실험 프로토콜 직사각형 탱크에 thermohaline DC 계단 구조 시뮬레이션을 설명 합니다. 작업의 초기 선형 밀도 층 리 2 탱크 메서드를 사용 하 여 생성 됩니다. 상단 플레이트는 일정 한 온도 열 유 속에서 하단 하나에 유지 됩니다. Shadowgraph 기술 등의 생성, 개발, mergence, 실종, DC 계단의 전체 진화 과정 시각화는 고 온도 염 분의 분산이 높은 정확도 조사에 의해 기록 된다. 이러한 측정 한 수 질적으로 계단의 변화를 관찰 뿐만 아니라 온도, 염 분, 그리고 밀도의 변화 또한 양적 분석. 또한, 레이어 두께 열 플럭스의 분산이 해양 응용^26,27 제자리에 대 한 매개 변수화 될 수 있습니다. 몇 가지 대표적인 실험 결과 표시 하 고 수치와 논의.

3.2 단계에서 탱크 A, 탱크 B와 작업 탱크 작업 탱크에 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
직사각형 탱크			맞춤형 부품
플렉시글라스			맞춤형 부품
전기 가열 패드			맞춤형 부품
증류수			여러 공급업체
광학 테이블	Liansheng Inc.	MRT-P/B
서미오스터			맞춤형 부품
디지털 멀티미터	Keithley Inc	모델 2700
마이크로 스케일 전도도 및 온도 기기(MSCTI)	PME. Inc.	모델 125
다기능 데이터 수집(MDA)	MCC. Inc.	USB-2048
전동 정밀 변환 스테이지(MPTS)	Thorlabs Inc.	LTS300
트레이싱 페이			여러 공급업체
LED 램프			여러 공급업체
캠코더	, Sony Inc.	XDR-XR550
탈가스 신선한 물			맞춤 제작 부품
식염수			맞춤 제작 부품
유연한 튜브			여러 공급업체
전기 자석 스터러	메이잉푸 주식회사	MYP2011-100
연동 펌프	Zhisun Inc.	DDBT-201
냉장 순환기	Polyscience Inc.	모델 9702
플라스틱 소프트 튜브			여러 공급업체
, 직류 전원 공급 장치	GE, Inc.	GPS-3030
매트랩	매스웍	R2012a를 참조하십시오.