Evolução das estruturas de escadaria em convecção difusiva

Este método pode ser usado para explorar as questões-chave nos processos dinâmicos de estruturas de escadas de convecção difusiva, como sua geração, desenvolvimento e desaparecimento. Com a configuração experimental atual, podemos ver claramente a evolução da convecção difusiva, que é muito difícil, se não impossível, de observar diretamente no oceano. Reúna os componentes do tanque de trabalho.

Isso inclui placas superior e inferior de cobre e um conjunto de parede lateral de acrílico. A placa superior é galvanizada e envolve uma câmara de água acessível por tubos. Também possui locais para termistores.

A placa inferior também é galvanizada e possui ranhuras para termistores. Ele contém uma almofada de aquecimento. Use água destilada para limpar cuidadosamente as placas de cobre e as paredes laterais de acrílico.

Quando terminar, monte o tanque usando parafusos para garantir que seja à prova d'água. Este tanque concluído tem 257 milímetros de comprimento e altura e 65 milímetros de largura. Em uma mesa óptica, monte uma estrutura de suporte de aço inoxidável.

No topo da moldura, coloque uma laje isolante. Com tudo no lugar, coloque o tanque montado na laje. Insira termistores nas placas superior e inferior e conecte-os ao sistema de aquisição de dados.

Um termistor monitora a temperatura da placa na qual é colocado. Em seguida, mova um estágio de tradução vertical de precisão para o lugar para montar uma sonda. Através da placa superior, coloque um sensor de instrumento de condutividade e temperatura em microescala no tanque.

Fixe o instrumento no estágio de tradução de precisão. Agora, configure o software para aquisição de dados do sensor e leituras do termistor. Retorne ao tanque para ajustar a posição do sensor de condutividade e temperatura.

Defina a posição inicial do sensor em seu ponto mais baixo, aqui, 20 milímetros acima do fundo do tanque. Em seguida, defina os parâmetros do movimento para o estágio de translação do experimento. Use a técnica de shadowgraph para monitorar o experimento.

Para isso, prenda um pedaço de papel vegetal na parte externa de um lado do tanque. No lado oposto do tanque, a cerca de cinco metros de distância, coloque uma fonte de luz. Para produzir um feixe quase colimado, use um LED de feixe estreito como fonte de luz.

Coloque uma filmadora de alta velocidade cerca de um metro à frente do papel vegetal no caminho do feixe. Com a lâmpada e a câmara de vídeo ligadas, ajuste as suas posições para obter uma imagem nítida. Obtenha dois tanques retangulares idênticos para o fluido de trabalho.

Os tanques são do mesmo tamanho que o tanque de trabalho. Junte-os em sua base com um tubo flexível preso, de 10 centímetros de comprimento. Coloque os dois tanques na mesma altura.

Providencie para que um tanque tenha um agitador elétrico. Em seguida, prenda um tubo flexível de 50 centímetros em uma bomba peristáltica. Use o tubo para unir o tanque com o agitador ao tanque de trabalho.

Encha o tanque que não possui agitador com solução salina de 60 gramas por quilograma de concentração. Encha o outro tanque com um volume igual de água doce desgaseificada. Assim que os tanques estiverem cheios, solte o tubo de conexão.

Homogeneizar continuamente a água de mistura com o agitador elétrico. Controle a vazão no tanque de trabalho com a bomba peristáltica. O tanque de trabalho leva aproximadamente três horas para encher e estar pronto para o experimento.

Para um experimento, use um circulador refrigerado para definir as condições de limite da placa superior. Na placa superior, ligue a câmara de água ao circulador refrigerado por meio de oito tubos de plástico macio. No circulador, ajuste a temperatura da placa superior para a temperatura ambiente.

Agora, conecte a almofada de aquecimento da placa inferior a uma fonte de alimentação CC e defina seu nível de potência. Ligue a câmara de vídeo para gravar o padrão de fluxo. Comece a monitorar os dados de temperatura e salinidade.

Em seguida, inicie o movimento vertical do sensor. Por fim, ligue o circulador refrigerado e a fonte de alimentação CC para atingir as condições de limite do fluido de trabalho. Este é um exemplo de uma imagem de shadowgraph tirada quando a placa superior está à temperatura ambiente e a placa inferior está sendo aquecida.

Existem três camadas de convecção na imagem, onde a densidade do fluido é homogênea. Existem também três camadas de interface, onde existem grandes gradientes de densidade. Este perfil de flutuação de intensidade tem três picos que correspondem às interfaces.

Aqui está a evolução do perfil de flutuação de intensidade no tempo, que revela a geração, desenvolvimento e desaparecimento de camadas associadas à escada de convecção difusiva. O perfil de temperatura e o perfil de salinidade fornecem outras visões da evolução no tempo do sistema. Nesses perfis, cada linha contínua representa dados coletados em 404 segundos.

Os conjuntos de dados no perfil de temperatura são deslocados em 1,5 graus Celsius em relação ao anterior. Para o perfil de salinidade, cada conjunto de dados é compensado em três gramas por quilograma do conjunto anterior. Este método também pode ser aplicado para simular outros fenômenos nos oceanos, como circulação oceânica global, aprofundamento de camada mista e erupção de plumas hidrotermais.

Se você quiser tentar este procedimento, lembre-se de ajustar inicialmente os sensores de condutividade e temperatura para a posição mais baixa do estágio de translação para evitar que o sensor bata na placa inferior. Com os resultados apresentados, podemos desenvolver ainda mais uma nova parametrização da espessura da camada, fluxo de calor e adicionar difusividade na convecção difusiva, o que abriria caminho para a comunidade de oceanografia física estudar os fenômenos na aplicação oceânica.