Evolutie van de trap structuren in Diffusive convectie

Deze methode kan worden gebruikt om de belangrijkste kwesties in de dynamische processen van diffusieve convectiestaircase structuren te onderzoeken, zoals hun ontstaan, ontwikkeling en verdwijning. Met de huidige experimentele opstelling kunnen we duidelijk de evolutie van diffusieve convectie zien, wat zeer moeilijk, zo niet onmogelijk, is om direct in de oceaan waar te nemen. Verzamel de componenten van de werktank.

Deze omvatten koperen boven- en onderplaten en een acryl zijwandconstructie. De bovenplaat is gegalvaniseerd en omsluit een waterkamer die toegankelijk is via buizen. Het heeft ook plaatsen voor thermistors.

De onderplaat is ook gegalvaniseerd en heeft sleuven voor thermistors. Het bevat een verwarmingspad. Gebruik gedistilleerd water om de koperen platen en de acryl zijwanden zorgvuldig te reinigen.

Wanneer klaar, monteer de tank met schroeven om ervoor te zorgen dat deze waterdicht is. Deze voltooide tank is 257 millimeter lang en hoog en 65 millimeter breed. Plaats op een optische tafel een roestvrijstalen ondersteuningskader.

Plaats op de bovenkant van het frame een isolerende plaat. Met alles op zijn plaats, plaats de gemonteerde tank op de plaat. Plaats thermistors in de boven- en onderplaten en sluit ze aan op het data-acquisitiesysteem.

Een thermistor bewaakt de temperatuur van de plaat waarin deze is geplaatst. Plaats vervolgens een nauwkeurige verticale vertaaltafel op zijn plaats voor het monteren van een sonde. Plaats via de bovenplaat een microschaal geleidbaarheids- en temperatuurinstrumentsensor in de tank.

Bevestig het instrument aan de nauwkeurige vertaaltafel. Stel nu de software in voor sensorgegevensverwerving en thermistor-aflezingen. Keer terug naar de tank om de positie van de geleidbaarheids- en temperatuursensor aan te passen.

Stel de beginpositie van de sensor op zijn laagste punt in, hier 20 millimeter boven de bodem van de tank. Stel vervolgens de parameters van de beweging voor de vertaaltafel voor het experiment in. Gebruik de schaduwgraffiektechniek om het experiment te bewaken.

Voor dit, bevestig een stuk calqueerpapier aan de buitenkant van een zijkant van de tank. Plaats aan de andere kant van de tank, ongeveer vijf meter verderop, een lichtbron. Gebruik een smal straal-LED als lichtbron om een bijna collimateerde straal te produceren.

Plaats een hogesnelheidscamera ongeveer een meter voor het calqueerpapier in het straalpad. Met de lamp en camera aan, pas hun posities aan voor een helder beeld. Verkrijg twee identieke rechthoekige tanks voor de werkvloeistof.

De tanks zijn even groot als de werktank. Verbind ze aan hun basis met een geklemde flexibele buis van 10 centimeter lang. Plaats de twee tanks op dezelfde hoogte.

Zorg ervoor dat één tank een elektrische roerder bevat. Klem vervolgens een flexibele buis van 50 centimeter in een peristaltische pomp. Gebruik de buis om de tank met de roerder met de werktank te verbinden.

Vul de tank die geen roerder heeft met zoute oplossing van 60 gram per kilogram concentratie. Vul de andere tank met een gelijk volume ontgast zoet water. Zodra de tanks zijn gevuld, los de verbindingsbuis.

Homogeniseer het mengwater continu met de elektrische roerder. Regel de stroomsnelheid in de werktank met de peristaltische pomp. De werktank neemt ongeveer drie uur in beslag om te vullen en klaar te zijn voor het experiment.

Gebruik voor een experiment een gekoelde circulator om de randvoorwaarden van de bovenplaat in te stellen. Verbind de waterkamer aan de bovenplaat met de gekoelde circulator met behulp van acht zachte plastic buizen. Stel bij de circulator de temperatuur voor de bovenplaat in op de kamertemperatuur.

Verbind nu het verwarmingspad van de onderplaat met een DC-voeding en stel het vermogensniveau in. Schakel de camera in om het stromingspatroon op te nemen. Begin met het bewaken van temperatuur- en zoutgehaltegegevens.

Start vervolgens de verticale beweging van de sensor. Schakel tenslotte de gekoelde circulator en de DC-voeding in om de randvoorwaarden van de werkvloeistof te bereiken. Dit is een voorbeeld van een schaduwgraffiekbeeld genomen wanneer de bovenplaat op kamertemperatuur staat en de onderplaat wordt verwarmd.

Er zijn drie convectielagen in het beeld, waar de vloeistofdichtheid homogeen is. Er zijn ook drie interfacelagen, waar grote dichtheidsgradiënten bestaan. Dit intensiteitsfluctuatieprofiel heeft drie pieken die overeenkomen met de interfaces.

Hier is de evolutie van het intensiteitsfluctuatieprofiel in de tijd, die laagenregeneratie, ontwikkeling en verdwijning onthult die geassocieerd zijn met de diffusieve convectiestaircase. Het temperatuurprofiel en het zoutgehalteprofiel geven andere weergaven van de evolutie in de tijd van het systeem. In deze profielen vertegenwoordigt elke continue lijn gegevens die gedurende 404 seconden zijn verzameld.

De datasets in het temperatuurprofiel zijn elk 1,5 graden Celsius verschoven ten opzichte van de vorige. Voor het zoutgehalteprofiel is elke dataset drie gram per kilogram verschoven ten opzichte van de vorige set. Deze methode kan ook worden toegepast om andere fenomenen in oceanen te simuleren, zoals de globale oceaancirculatie, verdieping van de gemengde laag en hydrothermale pluimeruptie.

Als je deze procedure wilt proberen, vergeet dan niet om in eerste instantie de geleidbaarheids- en temperatuursensoren aan te passen naar de laagste positie van de vertaaltafel om te voorkomen dat de sensor op de onderplaat crasht. Met de gepresenteerde resultaten kunnen we verder een nieuwe parameterisatie van laagdikte, warmtestroom en diffusiviteit in diffusieve convectie ontwikkelen, wat de weg zou kunnen ebnen voor de gemeenschap van fysische oceanografie om de fenomenen in de oceanische toepassing te bestuderen.