Summary
انتشارية الحراري (DC) يحدث على نطاق واسع في العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، تتميز بمجموعة من السلالم مع طبقات كونفيكتينج متجانسة وواجهات طبقية. إجراء تجريبي وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيل.
Abstract
انتشارية الحراري (DC) يحدث عند الرأسي طبقات يسيطر الكثافة اثنين يعارضان التدرجات العددية التي قد ديفوسيفيتيس الجزيئية اختلافاً واضحا، والتدرجات أكبر-وأصغر-الانتشارية العددية بالسلبية والإيجابية مساهمات لتوزيع كثافة، على التوالي. وحدة تحكم المجال DC يحدث في كثير من العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، على سبيل المثال، علم المحيطات والفيزياء الفلكية وعلم المعادن. في المحيطات، واحدة من أبرز سمات DC أن درجة الحرارة والملوحة من رأسية هيكل مثل الدرج، تتكون من خطوات متتالية مع طبقات سميكة من كونفيكتينج متجانسة وواجهات رقيقة والتدرج عالية نسبيا. وقد لوحظ في العديد من المحيطات، وخاصة في القطب الشمالي والقطب الجنوبي المحيطات، سلالم DC وتلعب دوراً هاما في دوران المحيطات والتغير المناخي. في المحيط المتجمد الشمالي، وتوجد سلالم DC على نطاق الحوض والمستمرة في العلوي وأعماق المحيطات. عملية DC له تأثير هام على ديابيكنال الاختلاط في المحيط العلوي وقد يؤثر بشكل كبير ذوبان الجليد السطحي. مقارنة بالقيود المفروضة على الملاحظات الميدانية، تبين التجربة المعملية ميزته الفريدة دراسة فعالية العمليات الدينامية والدينامية الحرارية في العاصمة، لأنه يمكن تعديل شروط الحدود والمعلمات التي تسيطر عليها تماما. هنا، بروتوكول مفصلة وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيلة مليئة بالمياه المالحة طبقية. ويرد في الإعداد التجريبية، عملية تطور، وتحليل البيانات، ومناقشة النتائج بالتفصيل.
Introduction
المزدوج الحراري انتشارية (DDC) واحدة من أهم العمليات خلط الرأسي. يحدث عندما تسيطر التدرجات مكونات مفردة اثنين أو أكثر من اتجاهين متعاكسين، التي يكون فيها المكونات اختلافاً ديفوسيفيتيس الجزيئية1توزيع الكثافة العمودية لعمود المياه الطبقية. فإنه يحدث على نطاق واسع في علوم المحيطات2الغلاف الجوي3، الجيولوجيا4، والفيزياء الفلكية5، علم المواد6، والمعادن7، و الهندسة المعمارية8. DDC موجود في ما يقرب من نصف المحيط العالمي، ولها آثار هامة على المحيطات مقياس متعدد العمليات والتغيرات المناخية حتى9.
هناك وضعان الأولية ل DDC: الملح الإصبع (SF) وانتشارية الحراري (DC). سادس يحدث عندما الماء الحار والمالح الخازنة الجماهيري المياه الأكثر برودة، وأعذب في بيئة طبقية. عند المياه الحارة والمالحة تقع تحت الماء البارد والطازج، وستشكل وحدة تحكم المجال DC. ميزة رائعة من وحدة تحكم المجال DC أن درجة الحرارة والملوحة والكثافة من رأسية مثل الدرج، تتألف من التيرنانت متجانسة كونفيكتينج الطبقات والواجهات رقيقة، وطبقية بشدة. العاصمة يحدث أساسا في خطوط العرض المرتفعة المحيطات وبعض البحيرات المالحة الداخلية، مثل القطب الشمالي والقطب الجنوبي المحيطات، بحر أوخوتسك، والبحر الأحمر وبحيرة كيفو الأفريقية10. في المحيط المتجمد الشمالي، وتوجد سلالم DC على نطاق الحوض والمستمرة في11،العلوي وأعماق المحيطات12. له تأثير هام على ديابيكنال الاختلاط في المحيط العلوي، وقد تؤثر تأثيراً كبيرا الجليد الذوبان، الذي يثير مؤخرا مصالح أكثر وأكثر في المجتمع علوم البحار13.
كان أول من اكتشف هيكل الدرج DC في المحيط المتجمد الشمالي في عام 196914. وبعد ذلك، بادمان & ديلون15، تيمرمانز وآخرون. 11، سيريفاج & Fer16، تشو & لو12، غوثري وآخرون. بيبيفا & تيمرمانز18، 17وشبلي وآخرون. 19 تقاس سلالم DC في أحواض مختلفة من المحيط المتجمد الشمالي، بما في ذلك الرأسي وجداول أفقية لطبقة كونفيكتينج وواجهة، وعمق وسمك إجمالي من الدرج، نقل، عمليات DC في الحرارة العمودي الدوامة المتوسطة المدى والتغيرات الزمنية والمكانية لهياكل الدرج. شميد وآخرون. 20 وسومر et al. ولاحظ 21 سلالم DC باستخدام التعريف المجهرية في بحيرة كيفو. أنها أفادت بميزات الهيكل الرئيسي وتدفقات الحرارة من العاصمة ومقارنة تدفقات الحرارة المقاسة مع الصيغة حدودي الموجودة. مع تجهيز تحسين سرعة الكمبيوتر، المحاكاة العددية للعاصمة وقد أجريت مؤخرا، على سبيل المثال، دراسة الواجهة الهيكل وعدم الاستقرار، ونقل الحرارة من خلال واجهة، طبقة الحدث المندمجة، وذلك على22، 23 , 24.
وعززت المراقبة الميدانية إلى حد كبير فهم المحيطات DC لعلماء المحيطات، ولكن القياس بقوة محدودة من بيئات غير محدد التدفق المحيطي والصكوك. على سبيل المثال، واجهة العاصمة مقياس عمودي صغير للغاية، أرق من 0.1 متر في بعض البحيرات والمحيطات25، وهناك حاجة إلى بعض الصكوك ذات الدقة العالية الخاصة. وتبين التجربة المعملية مزاياه الفريدة في استكشاف القوانين الدينامية والدينامية الحرارية الأساسية للعاصمة. مع تجربة مختبرية، أحد مراقبة تطور الدرج DC، وقياس درجة الحرارة والملوحة، وتقترح بعض تيقنها لل26،التطبيقات المحيطية27. وعلاوة على ذلك، في تجربة مختبرية، المعلمات التي تسيطر عليها والشروط هي سهولة تعديلها كما هو مطلوب. على سبيل المثال، أولاً تيرنر محاكاة الدرج DC في المختبر في عام 1965، واقترحت تحديد المعايير والثوابت نقل حرارة عبر واجهة انتشارية، التي تم تحديثها بشكل متكرر وتستخدم على نطاق واسع في الملاحظات المحيطية في الموقع 28 .
في هذه الورقة، بروتوكول تجريبي مفصلة وصف لمحاكاة عملية تطور من الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في المياه المالحة طبقية ساخنة من أسفل. يتم قياس درجة الحرارة والملوحة بصك الحجم الصغير، فضلا عن سلالم DC التي يجري رصدها مع تقنية شادووجراف. ويرد في الإعداد التجريبية، عملية تطور، وتحليل البيانات، ومناقشة النتائج بالتفصيل. بتغيير الأولى وشروط الحدود، يمكن استخدام هذا الإعداد التجريبية وطريقة لمحاكاة الظواهر المحيطية الأخرى، مثل الحراري الأفقي المحيطية، الانفجارات الحرارية المائية في أعماق البحار، وتعميق الطبقة السطحية المختلطة، أثر الغواصة الطاقة الحرارية الأرضية في الدوران المحيطي، وهلم جرا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1-العمل للدبابات
ملاحظة: تجري التجربة في خزان مستطيل. الخزان يتضمن لوحات العلوي والسفلي وجدار الجانبي. لوحات العلوي والسفلي مصنوعة من النحاس مع الأسطح مطلي. وهناك دائرة مياه داخل اللوحة العلوية. يتم إدراج لوحة تدفئة كهربائية في أسفل لوحة. الجدار الجانبي عن زجاجي شفاف. هو حجم خزان لx = 257 مم (الطول)، Ly = 65 مم (العرض) ولz = 257 مم (الارتفاع). سمك الجدار 9.5 ملم.
- تنظيف ألواح النحاس وجدار زجاجي بعناية مع الماء المقطر.
- تجميع الدبابة بمسامير للتأكد من أن الخزان المياه محكم.
- إعداد إطار الفولاذ المقاوم للصدأ داعمة (ارتفاع 150 مم) على طاولة بصرية وإصلاح الخزان فوق الإطار مع حرارة العزل لوح بينهما، مما يحد من تسرب الحرارة من خزان العامل إلى الجدول.
- إدراج ثلاثة ثيرميستورس (استقرار درجة الحرارة من 0.01 درجة مئوية) في كل لوحة وتوصيلها إلى متعدد رقمية. ملاحظة يتم استخدام هذه ثيرميستورس لرصد درجات حرارة لوحات العلوي والسفلي.
- ضع "الموصلية" الصغيرة الحجم ودرجة الحرارة الصك (مسكتي) داخل الصهريج وتوصيله إلى اقتناء البيانات متعددة الوظائف (MDA). إصلاح مسكتي إلى مرحلة ترجمة دقيقة المزودة بمحركات (MPTS).
ملاحظة: لاحظ أنه يمكن نقل مسكتي صعودا وهبوطاً بالتحرك عمودياً، حتى يتحقق ملامح السائل العامل درجة الحرارة والملوحة. هنا، قد مسكتي استقرار درجة حرارة الاستقرار 0.01 درجة مئوية والملوحة من 1%. وقد ن الدقة الموضعية من 0.005 مم. - تعيين المعلمات في البرامج المناظرة "المتعدد الرقمية" و "اكتساب البيانات متعددة الوظائف"، مثل معدلات أخذ العينات والبيانات اقتناء قنوات ومسارات التخزين. وهنا، تعيين معدلات أخذ العينات المتعدد الرقمية واكتساب البيانات متعددة الوظائف هرتز 1.0 و 128، على التوالي.
- تعيين معلمات تتحرك في البرنامج ن، بما في ذلك الموقف المبدئي، أدنى وأعلى المناصب، نقل السرعة والتسارع، مسكتي. هنا، بسرعة وتسارع تتحرك ك 1 مم/s و 0.5 mm/s2، وتحديد مواقف أدنى وأعلى ك 20 و 220 ملم أعلاه أسفل لوحة. وهذا يؤدي إلى فترة زمنية من MPTS 404 ق القياس من أعلى إلى أسفل. تعيين موضع الأولية مسكتي في موقف أدنى.
- الحفاظ على درجة حرارة الغرفة ثابتة تقريبا حوالي 24 درجة مئوية مع اثنين من مكيفات الهواء عالية الطاقة (قوة العمل 3000 W).
2-جهاز بصري
ملاحظة: أثناء التجربة، تطور الدرج DC سترصد مع تقنية شادووجراف، الذي هو الوفاء مع أدناه الإجراءات
- إرفاق قطعة من الورق الشفاف (25.7 سم × 25.7 سم) على السطح الخارجي للخزان.
- استخدام مصباح LED شعاع ضيق كمصدر الضوء. وضع مصدر الضوء حوالي 5 أمتار بعيداً عن الجانب الآخر من الدبابات، بحيث يمكن إنشاؤها على ضوء ما يقرب وتحديدالمنطقه. علما بأن الطبقات هيكل السوائل خلال التجربة بوحدة تحكم المجال DC مضاءة على الورق الشفاف بسبب تغير الكثافة (المقابلة لتغيير مؤشر الانكسار) من السوائل.
- ضع كاميرا عالية السرعة على نفس الجانب من الورق الشفاف. أنها حوالي 1 متر من الخزان حتى أنه يمكن تسجيل هياكل الطبقات مع الدبابة كاملة الحجم.
- تعيين معدل أخذ العينات من كاميرا الفيديو. علما أن معدل أخذ العينات ينبغي أن تكون مناسبة لالتقاط تفاصيل التطورات الدرج. هنا، هو أن معدل أخذ العينات من كاميرا الفيديو 25 هرتز.
- تشغيل مصباح وكاميرا الفيديو، وتعديل طفيف الجرع والمسافات، لضمان أن مسح الصور يمكن التقاطها بواسطة كاميرا الفيديو.
3-العامل السائل
- تعد المياه العذبة والمالحة في دبابتين.
- الانضمام دبابتين مستطيلة متطابقة (الدبابات A وخزان ب) بأنبوب مرن (10 سم في الطول، 6 في القطر الداخلي و 10 ملم في القطر الخارجي) من الجزء السفلي من كل واحد.
- يتم ملء خزان A مع المياه المالحة، وتركيزها الشامل للملح (أي، الملوحة) ز 60/كغ في هذا المثال.
- ملء الخزان ب مع تساوي حجم المياه العذبة دي المشككين، واستخدام محرض مغناطيسية كهربائية إلى مجانسة السائل بشكل مستمر.
- الحفاظ على درجة حرارة السوائل الأولية داخل الدبابات على حد سواء نفس درجة حرارة الغرفة (24 درجة مئوية).
- إنشاء الطبقات الكثافة الخطية في خزان العامل.
- استخدام أسلوب مزدوج للدبابات29 لتأسيس الطبقات خطية أولية من المياه المالحة في خزان العامل.
- ضع الدبابات A و B على نفس الارتفاع، وأعلى من خزان العامل 30 سم. الانضمام إلى خزان ب وخزان العامل مع أنبوب مرن آخر (50 سم في الطول، 2 مم في القطر الداخلي والخارجي قطرها 5 ملم) من تلك القيعان. نظراً لاختلاف ضغط السائل في هذه الدبابات اثنين، يمكن حقن السائل في خزان ب ببطء في خزان العامل.
- التحكم في سرعة تدفق مع مضخة تمعجية في مل 0.45/س. علما طوال الوقت لملء المياه لخزان العامل هو حساب الملوحة في الجزء السفلي من الخزان العامل استناداً إلى29 حوالي 3 ﻫ.
(1)
أين هي SAوالخامس والخامس0 ملوحة دبابات، حجم السائل النهائي للدبابة العامل وحجم السوائل الأولية بخزان (أو ب)، على التوالي. استخدام الملوحة في المياه العذبة في الجزء العلوي والسفلي Sب ، تواتر الطفو الطبقية الأولى ن0
(2)
حيث g تسارع الجاذبية، ρ0 كثافة الإشارة وبيتا معامل انكماش الملوحة. علما ن0 يحسب كراد/s 1.14 في هذا المثال.
(1)
(2)4-تشغيل التجربة
- تعيين شروط الحدود للدبابة العامل.
- قم بتوصيل دائرة المياه في أعلى لوحة مدوار مبردة مع الثمانية الموزعة بانتظام أنابيب لينة بلاستيكية (150 سم طول، 10 مم وقطرها الداخلي 15 ملم في القطر الخارجي). علما أن درجة حرارة أعلى لوحة يعتمد على درجة حرارة مدوار المبردة. تعيين درجة حرارة أعلى لوحة نفس درجة حرارة الغرفة (24 درجة مئوية).
- قم بتوصيل لوحة التدفئة الكهربائية داخل أسفل لوحة "الإمداد" التيار المباشر. ملاحظة تدفق حرارة ثابتة يتم توفيرها للسائل العامل خلال هذه التجربة، التي يتم حسابها
(3)
حيث U, R و A هي الجهد المتوفر، المقاومة الكهربائية وفعالة في مجال التدفئة الكهربائية لوح، على التوالي. في هذا المثال، يتم بالمقاومة ومنطقة فعالة أوم 44.12 و 1.89 × 10-2 م2. تعيين الجهد المتوفر كما 60 الخامس، حيث أن الحرارة مجموع الجريان وح 4317 ث/م2.
- قم بتشغيل كاميرا الفيديو لتسجيل نمط التدفق.
- قم بتشغيل "المتعدد الرقمية"، الحصول على البيانات متعددة الوظائف لرصد درجة حرارة لوحات العلوي والسفلي، ودرجة الحرارة والملوحة من السوائل التي تستخدم في مسكتي.
- قم بتشغيل MPTS لنقل مسكتي صعودا ونزولاً تحقيق ملامح السائل العامل درجة الحرارة والملوحة.
- قم بتشغيل مدوار المبردة و "إمداد" التيار المباشر لتحقيق شروط الحدود العليا والسفلي من السائل العامل.
ملاحظة: ملاحظة أن التجربة كلها سوف تجربة جيل، تطوير واندماجات، واختفاء الدرج DC، وأنها سوف تستمر حوالي 5 ساعات. بعد اختفاء كافة DC سلالم، قم بإيقاف تشغيل إمداد التيار المباشر مدوار المبردة و MPTS، مقياس رقمي متعدد، اقتناء البيانات متعددة الوظائف، وكاميرا الفيديو بدوره.
(3)5-معالجة البيانات
- صورة شادووجراف
- استخدام برنامج Matlab لتحويل الفيديو سجلتها كاميرا الفيديو إلى صور متتالية لمزيد من التحليل. تفصيل هذه الصور لإبراز نمط التدفق داخل الصهريج. تعيين كثافة الصورة الرقمية كما (x, z)، حيث (x, z) يدل على الإحداثيات الأفقية والعمودية مع الأصل في الركن الأيمن السفلي من الصورة. ملاحظة تختلف أنا (x, z) على (0، 1) مع مستوى رمادي من 256. تطبيع كل صورة بصورة أساسية ك30
(4)
حيث
هو كثافة الصورة متوسط أكثر من 10 صور قبل التبريد والتسخين المطبق، 
يدل على شدة طال صورة. وبهذه الطريقة، يمكن إزالة العيوب الثابتة في الصور. بغية دراسة تطور نمط DC الزمانية، يمكن تحويل كل صورة إلى ملف تعريف تقلب كثافة عمودية واحدة، 
، عن طريق حساب تقلبات كثافة الصورة (أي، الجذر-يعني-ساحة لكثافة) على طول اتجاه أفقي . ارسم ملامح تقلب كثافة من الصور المتعاقبة جنبا إلى جنب مع زيادة الوقت إظهار تطورات سلالم DC.
- استخدام برنامج Matlab لتحويل الفيديو سجلتها كاميرا الفيديو إلى صور متتالية لمزيد من التحليل. تفصيل هذه الصور لإبراز نمط التدفق داخل الصهريج. تعيين كثافة الصورة الرقمية كما (x, z)، حيث (x, z) يدل على الإحداثيات الأفقية والعمودية مع الأصل في الركن الأيمن السفلي من الصورة. ملاحظة تختلف أنا (x, z) على (0، 1) مع مستوى رمادي من 256. تطبيع كل صورة بصورة أساسية ك30
- التشكيلات الجانبية لدرجة الحرارة والملوحة
- ملاحظة في هذه التجربة لمحات الرأسي لدرجات الحرارة والملوحة من السوائل العمل تقاس مسكتي يتحرك من أعلى إلى أسفل. حساب ارتفاع الزمانية، h(t)، من مسكتي مع الوسط تتحرك w السرعة، الزمن t، وانطلاق الوقت t0 (المقابلة لموقف أدنى)، ح موقف أدنىل وأعلى موقف حح، كما
(5)
حيث
مسكتي يتحرك فترة من أدنى موقف (أدنى) (أعلى) إلى أعلى، n و δ هي أجزاء لا يتجزأ وكسور، على التوالي. ثم حساب h(t) ارتفاع الزمانية
(6)
ملاحظة في المعادلة (6)، وإذا كان n حتى، مسكتي يسير؛ إلا مسكتي تتحرك لأسفل. ارسم الوقت سلسلة من درجات الحرارة T(t) والملوحة S(t) من حيث الارتفاع h(t) للحصول على ملفات التعريف العمودي درجة الحرارة والملوحة.
- ملاحظة في هذه التجربة لمحات الرأسي لدرجات الحرارة والملوحة من السوائل العمل تقاس مسكتي يتحرك من أعلى إلى أسفل. حساب ارتفاع الزمانية، h(t)، من مسكتي مع الوسط تتحرك w السرعة، الزمن t، وانطلاق الوقت t0 (المقابلة لموقف أدنى)، ح موقف أدنىل وأعلى موقف حح، كما
(4)
هو كثافة الصورة متوسط أكثر من 10 صور قبل التبريد والتسخين المطبق، 
يدل على شدة طال صورة. وبهذه الطريقة، يمكن إزالة العيوب الثابتة في الصور. بغية دراسة تطور نمط DC الزمانية، يمكن تحويل كل صورة إلى ملف تعريف تقلب كثافة عمودية واحدة، 
(5)
مسكتي يتحرك فترة من أدنى موقف (أدنى) (أعلى) إلى أعلى، n و δ هي أجزاء لا يتجزأ وكسور، على التوالي. ثم حساب h(t) ارتفاع الزمانية
(6)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويبين الشكل 1 التخطيطي للإعداد التجريبية. يتم وصف مكوناته في البروتوكول. وتظهر الأجزاء الرئيسية في الشكل 1a وخزان العمل المفصل هو مبين في الشكل 1 باء. ويبين الشكل 2 التغيرات في درجات الحرارة في الأسفل (تيب، المنحنى الأحمر) ولوحات أعلى (تيتي، المنحنى الأسود). يشار إلى أن درجة حرارة لوحات اثنين هي تقريبا نفس درجة حرارة الغرفة (24 درجة مئوية) في البداية. عند t = 641 s، وتبريد أعلى وأسفل التدفئة يتم تطبيقها. ثم، يبدأ Tب يزداد بسرعة، من 24 درجة مئوية إلى 57 درجة مئوية، بينما تيتي ثابتة تقريبا حتى يصل الوقت 7683 s. خلال هذا النطاق الزمني، فمن المتوقع أن التدفئة تنقل صعودا إلى السائل، ولكن لم يصل إلى اللوحة العلوية. في حوالي الساعة t = 8000 s، Tب يحقق لها أقصى، 57 درجة مئوية، وتيتي يبدأ في الزيادة تدريجيا، الأمر الذي يعني أن يصل تدفئة أسفل اللوحة العلوية. من الآن فصاعدا، خزان كله ممتلئ تماما الهياكل الدرج DC. ثم تبدأ درجة الحرارة أسفل لوحة إنقاص ودرجة الحرارة أعلى لوحة في تزايد مستمر. في حوالي الساعة t = 14800 s، Tب وتيتي تغير فجأة، الذي يتوافق مع اختفاء الواجهة الأخيرة داخل الصهريج. في وقت لاحق، نهج رب وتيتي قيم ثابتة، حيث الدولة تدفق مطرد كله ينتمي إلى رايليغ – ديسيبتيف الحراري26.
يبين الشكل 3 ألف صورة شادووجراف لحظية المتخذة في t = 3375 s. وهناك ثلاث واجهات وثلاث طبقات كونفيكتينج في الخزان. في طبقة كونفيكتينج، كثافة السائل متجانسة، بينما في واجهة كبيرة الكثافة (أو مؤشر الانكسار) التدرج موجود، الذي ينتج تقلب كثافة الضوء القوى. ويبين الشكل 3b الشخصية تقلب كثافة 
، حيث المواقف قمم هي المطابقة لتلك الواجهات. يبين الشكل 3 جيم الشخصية تقلب كثافة شادووجراف بالصورة كدالة للزمن . فإنه يسلك التطور الزمني للدرج DC في التجربة، يترافق مع عمليات ديناميكية، أي توليد طبقة، والتنمية، والاختفاء. حالما يتم تسخين النظام، يشكل طبقة كونفيكتينج ويمسك تدريجيا من الجزء السفلي من النظام. واجهة حادة تكمن بين طبقة كونفيكتينج والسوائل ثابتة أعلاه. عندما يصل أسفل كونفيكتينج طبقة سماكة معينة، أشكال طبقة جديدة كونفيكتينج أعلاه الواجهة. وفي الوقت نفسه، كونفيكتينج الطبقات والواجهات تهاجر إلى الأعلى. وتستمر عملية مماثلة حتى تشكل طبقة جديدة كونفيكتينج أعلاه تتصدر الواجهة. في عملية التطور، وقد دمج طبقتين المتاخمة لها، أو هو تآكل طبقة واحدة بواحدة أخرى. في شأن t = s 8000، تحتل دبابة كاملة من سبع طبقات كونفيكتينج. من الآن فصاعدا، دمج طبقة هي العملية الوحيدة ويقلل عدد الطبقات تدريجيا. في شأن t = 14800 s، لفة كونفيكتينج واحد فقط موجود في خزان كامل بعد يختفي واجهة الأخير، ونهج الدولة التدفق الحراري الحمل الحراري رايليغ – ديسيبتيف مستقرة. كما هو مبين في الشكل 2 و الشكل 3 جيم، هي المطابقة الفروق درجة الحرارة من لوحات العلوي والسفلي للتغيرات الدينامية للسلالم. وترد في الشكل 4مسجل درجات الحرارة والملوحة التشكيلات الجانبية. لاحظ أن يتم إزاحة التشكيلات الجانبية لدرجات الحرارة والملوحة بشكل مستمر بواسطة 1.5 درجة مئوية، وتوضيح 3.0 غ/كغ، على التوالي، من الأفضل. الفاصل الزمني بين اثنين التشكيلات الجانبية للجار هو 404 ق. في هذا الشكل، تظهر ملفات التعريف هذه بوضوح ديناميات التغيرات في هياكل الدرج. أنماط السلالم هي المطابقة مع الطبقات والواجهات التي سجلت في القياسات شادووجراف (الشكل 3 ج).
رقم 1. التخطيطي للإعداد التجريبية (أ) أجزاء المكونة رئيسية للإعداد التجريبية. (ب) الإعداد للدبابة العامل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 2. التغيرات في درجات الحرارة في الأسفل (المنحنى الأحمر) ولوحات أعلى (المنحنى الأسود) أثناء التجربة. المنحنى الرمادي يدل على درجة حرارة البيئة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3. صورة شادووجراف لحظية وتجهيز الصورة (أ) شادووجراف في t = 3375 s، (ب) شدة تقلب على طول اتجاه z، ، من كثافة الصورة في الشكل 3 ألف، (ج) الصدغي تطور نمط DC مع إظهار لون التظليل . خط متقطع الأبيض يناظر الشخصية هو موضح في الشكل 3 (ب). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4. ملامح تطور العاصمة المتعاقبة. الأعلى: درجة الحرارة الملامح، أسفل: الملامح الملوحة. يتم تطبيق زيادات بمقدار درجة الحرارة من 1.5 درجة مئوية، والملوحة من 3.0 غ/كغ بين التشكيلات الجانبية المجاورة. الفاصل الزمني بين اثنين التشكيلات الجانبية للجار هو 404 س. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
في هذه الورقة هو وصف بروتوكول تجريبي مفصلة لمحاكاة هياكل الدرج DC المتأثر في خزان مستطيل. هي التي شيدت الطبقات كثافة خطي أولى للسائل العامل باستخدام الأسلوب الثاني للدبابات. يتم الاحتفاظ باللوحة العلوية في درجة حرارة ثابتة وواحدة أسفل في تدفق الحرارة المستمرة. عملية تطور كل من الدرج العاصمة، بما في ذلك الجيل، وتطورها واندماجات، والاختفاء، وهي تصور بتقنية شادووجراف، وتقيد الفروق درجات الحرارة والملوحة بتحقيق عالية الدقة. مع هذه القياسات، واحد يمكن نوعيا مراقبة تغيرات الدرج، بل أيضا كمي تحليل التغيرات في درجة الحرارة والملوحة والكثافة. وعلاوة على ذلك، يمكن ذات معلمات الفروق تدفق الحرارة وسمك طبقة التطبيقات المحيطية26،27 في الموقع . تظهر بعض النتائج التجريبية التمثيلية وناقش مع الأرقام.
في الخطوة 3، 2، ترتبط بالدبابات وب الدبابة والدبابة العامل أثناء إنشاء الطبقات الكثافة الخطي الأولى للدبابات العامل. قانون السفن متصلة، يتدفق السائل في خزان A تلقائياً في الدبابة ب، ومعدل التدفق من الخزان ب في خزان العمل هو التحديد مرتين من خزان A إلى الخزان ب، مما يؤدي إلى تدرج كثافة خطية عمودياً الع الملك السائل29. في الخطوة 5، 1، يمكن تحديد موقف كل واجهة تستند إلى تقلب حدة الأقصى المحلية من التشكيل الجانبي ؛ وهذا لأن هناك تقلبات قوية كثافة الضوء في مواقف واجهات العاصمة.
مقارنة مع التجارب السابقة في العاصمة في الأدب، الإعداد الحالية وأسلوب يمكن قياس التشكيلات الجانبية لدرجة الحرارة والملوحة وتسجيل الصور السائل-نمط شكل متزامن. القرارات المكانية والزمانية التي مرتفعة بما يكفي للقبض على واجهات رقيقة، فضلا عن الهياكل الأخرى المضطربة غرامة. القيد الرئيسي من هذا الأسلوب هو أن تبادل الحرارة بين الداخل وخارج الدبابة العامل لم يسجل، الذي سيتم تحسين إذا تدفق الحرارة العمودي دقيقة بحاجة إلى قياس.
تجدر الإشارة إلى أن في هذه التجربة بالكثافة الأولية التقسيم الطبقي وشروط الحدود يمكن سهولة التحكم كمطلوب لأغراض مختلفة. يمكن أيضا تحقيق بعض ظروف العمل المعقدة مع تعديل طفيف، على سبيل المثال يمكن بناؤها الطبقات غير الخطية بتحوير نسبة معدلات التدفق من الخزان إلى خزان ب وذلك من خزان ب إلى خزان العامل في أساليب اثنين للدبابات29 . ولذلك، فمن المتوقع أنه يمكن تطبيق هذا الإعداد التجريبية وطريقة لمحاكاة بعض الظواهر المحيطية الأخرى، مثل الحراري الأفقي المحيطية، والانفجارات الحرارية المائية في أعماق البحار، وتعميق الطبقة السطحية المختلطة وأثر الغواصة الطاقة الحرارية الأرضية في الدوران المحيطي، وهلم جرا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
كان يؤيد هذا العمل منح "جبهة الخلاص الوطني الصيني" (41706033 و 91752108 و 41476167) ومنح "جبهة الخلاص الوطني جرانجدونج" (2017A030313242 و 2016A030311042) ومنحة عفرتو (LTOZZ1801).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rectangular tank | Custom made part | ||
| Plexiglas | Custom made part | ||
| Electric heating pad | Custom made part | ||
| Distilled water | Multiple suppliers | ||
| Optical table | Liansheng Inc. | MRT-P/B | |
| Thermiostors | Custom made part | ||
| Digital multimeter | Keithley Inc | Model 2700 | |
| Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI) | PME. Inc. | Model 125 | |
| Multifunction data acquisition (MDA) | MCC. Inc. | USB-2048 | |
| Motorized precision translation stage (MPTS) | Thorlabs Inc. | LTS300 | |
| Tracing paper | Multiple suppliers | ||
| LED lamp | Multiple suppliers | ||
| Camcorder | Sony Inc. | XDR-XR550 | |
| De-gassed fresh water | Custom made part | ||
| Saline water | Custom made part | ||
| Flexible tube | Multiple suppliers | ||
| Electric magnetic stirrer | Meiyingpu Inc. | MYP2011-100 | |
| Peristaltic pump | Zhisun Inc. | DDBT-201 | |
| Refrigerated circulator | Polyscience Inc. | Model 9702 | |
| Plastic soft tube | Multiple suppliers | ||
| Direct-current power supply | GE Inc. | GPS-3030 | |
| Matlab | MathWorks Inc. | R2012a |
References
- Turner, J. S. Buoyancy Effects in Fluids. , Cambridge Univ. Press, N. Y. 367 (1973).
- Schmitt, R. W. Double diffusion in oceanography. Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).
- Turner, J. S., Gustafson, L. B. Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).
- Robb, L. Introduction to Ore-forming Processes. , Blackwell Publishing. 373 (2004).
- Chabrier, G., Baraffe, I. Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective. The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).
- Langlois, W. E. Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts. Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).
- Chen, C. -F., Johnson, D. H. Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference. Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).
- Griffiths, R. W. Layered double-diffusive convection in porous media. Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).
- You, Y. Z. A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).
- Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. The diffusive regime of double diffusive convection. Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).
- Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline. Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).
- Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).
- Turner, J. S. The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below. Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).
- Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. Thermal stratification in the Arctic Ocean. Science. 166 (3903), 373-374 (1969).
- Padman, L., Dillon, T. M. Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).
- Sirevaag, A., Fer, I. Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing. Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).
- Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).
- Bebieva, Y., Timmermans, M. L. An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).
- Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. Spatial variability of the Arctic Ocean's double-diffusive staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).
- Schmid, M., Busbridge, M. Double-diffusive convection in Lake Kivu. Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).
- Sommer, T., et al. Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).
- Carpenter, J. R., Sommer, T., Wüest, A. Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime. Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).
- Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. Heat transport through diffusive interfaces. Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).
- Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events. Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).
- Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., Wüest, A. Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia. Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).
- Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).
- Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. New parametrization for heat transport through diffusive convection interface. Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).
- Turner, J. S. The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface. International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).
- Hill, D. F. General density gradients in general domains: the "two-tank" method revisited. Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).
- Zhou, S. Q., Ahlers, G. Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal. Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).
