Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Udviklingen af trappe strukturer i diffuserende konvektion

Published: September 5, 2018 doi: 10.3791/58316
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences

Summary

Diffuserende konvektion (DC) forekommer almindeligt i naturlige processer og ingeniørmæssige anvendelser, karakteriseret ved en serie af trapper med homogene convecting lag og stratificeret grænseflader. En eksperimentel procedure er beskrevet til at simulere udviklingen processen med DC trappe struktur, herunder produktion, udvikling og forsvinden, i en rektangulær tank.

Abstract

Diffuserende konvektion (DC) opstår, når lodret stratificeret tæthed er kontrolleret af to modsatrettede skalar forløb, der har udpræget forskellige molekylære diffusivities, og større - og mindre-diffusivity skalar forløb har negative og positive bidrag til density distribution, henholdsvis. DC forekommer i mange naturlige processer og ingeniørmæssige anvendelser, for eksempel, oceanografi, astrofysik og metallurgi. I havene er en af de mest bemærkelsesværdige træk ved DC, at de lodrette temperatur og saltholdighed profiler er trappe-lignende struktur, bestående af på hinanden følgende trin med tykke homogene convecting lag og forholdsvis tynd og høj-gradient grænseflader. DC trapper er blevet observeret i mange oceaner, især i Arktis og Antarktis Ocean, og spille en vigtig rolle på havstrømme og klimaændringer. I det Arktiske Ocean findes der bassinet-wide og vedvarende DC trapper i de øverste og dybe oceaner. DC har en vigtig effekt på diapycnal blanding i den øvre ocean og kan have afgørende indflydelse på overfladen is-smelter. I forhold til begrænsningerne i feltet bemærkninger, viser laboratorium eksperiment sin unikke fordel til effektivt undersøge de dynamiske og termodynamiske processer i DC, fordi randbetingelser og parametrene kontrolleret strengt kan justeres. Her, er en detaljeret protokol beskrevet til at simulere udviklingen processen med DC trappe struktur, herunder dens produktion, udvikling og forsvinden, i en rektangulær tank fyldt med stratificeret saltvand. Eksperimentel opsætning, evolution proces, dataanalyse og diskussion af resultater er beskrevet i detaljer.

Introduction

Dobbelt diffuserende konvektion (DDC) er en af de vigtigste vertikale blanding processer. Det sker når lodret density distribution af stratificeret vandsøjlen er kontrolleret af to eller flere skalar komponenter forløb i modsatte retninger, hvor komponenterne har udpræget forskellige molekylære diffusivities1. Det forekommer almindeligt i oceanografi2, den atmosfære3, geologi4, astrofysik5, materiallære6, metallurgi7og architectural engineering8. DDC er til stede i næsten halvdelen af den globale ocean, og det har betydelige virkninger på oceanic multi-skala processer og endda klimatiske ændringer9.

Der er to primære former for DDC: salt finger (SF) og diffuserende konvektion (DC). SF opstår, når en varmt og salt vand masse ligger over køler, friskere vand i det stratificerede miljø. Når det varme og salt vand ligger under det kolde og frisk vand, vil DC danne. Den bemærkelsesværdige træk af DC er, at de lodrette profiler af temperatur, saltholdighed og densitet er trappe-lignende, komponeret af alternant homogen convecting lag og tynd, stærkt stratificeret grænseflader. DC opstår primært i høj breddegrad oceaner og nogle indvendige saltsøer, som de arktiske og antarktiske oceaner, Okhotsk hav, det Røde Hav og afrikanske Kivu sø10. I det Arktiske Ocean findes der bassinet-wide og vedvarende DC trapper i øverste og dyb oceaner11,12. Det har en vigtig effekt på diapycnal blanding i den øvre ocean og kan væsentligt påvirke is-smelter, som for nylig vækker flere og flere interesser i oceanografi Fællesskabet13.

DC trappe struktur blev først opdaget i Ishavet i 196914. Efter at, Padman & Dillon15, Timmermans mfl. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie mfl. 17, Bebieva & Timmermans18og Shibley mfl. 19 målt DC trapper i forskellige bassiner af Ishavet, herunder lodret og vandrette skalaerne i convecting lag og interface, dybde og samlede tykkelse af trappen, lodret varme overførsel, DC processer i mesoscale eddy og de tidsmæssige og rumlige ændringer af trappe strukturer. Schmid mfl. 20 og Sommer et al. 21 observeret DC trapper ved hjælp af en mikrostruktur profiler i Kivu-søen. De rapporterede de vigtigste struktur funktioner og varme strømme af DC og sammenlignet de målte varme strømme med den eksisterende parametrisk formel. Med edb-behandling hastigheder forbedring, de numeriske simulationer af DC har for nylig gjort, for eksempel, for at undersøge grænsefladen struktur og ustabilitet, varmeoverføring gennem interface, lag fusionerende begivenhed, og så videre22, 23 , 24.

Feltet bemærkning har stærkt forbedret forståelse af ocean DC for oceanografer, men måling er kraftigt begrænset af ubestemt oceaniske flow miljøer og instrumenter. For eksempel, DC interface har en ekstremt lille lodret skala, tyndere end 0,1 m i nogle søer og oceaner25, og nogle særlig høj opløsning instrumenter er nødvendige. Laboratoriet eksperiment viser sin unikke fordele i at udforske de grundlæggende dynamiske og termodynamiske love DC. Med et laboratorium eksperiment, kan en observere udviklingen af DC trappe, måle temperatur og saltholdighed og foreslår nogle parameterizations for oceaniske programmer26,27. Desuden, i et laboratorium eksperiment, kontrolleret parametre og betingelser er let tilpasses efter behov. For eksempel, Turner først simuleret DC trappe i laboratoriet i 1965 og foreslået en varme overførsel parametrering via diffuserende grænsefladen, som blev hyppigt opdaterede og flittigt brugt i de i situ oceaniske observationer28 .

I dette papir er en detaljeret forsøgsplan beskrevet til at simulere udviklingen processen med DC trappe, herunder produktion, udvikling og forsvinden, i stratificeret saltholdige vand opvarmet fra neden. Temperatur og saltholdighed er målt af en mikro-skala instrument samt DC trapper overvåges med shadowgraph teknik. Eksperimentel opsætning, evolution proces, dataanalyse og diskussion af resultater er beskrevet i detaljer. Ved at ændre den oprindelige og randbetingelser, kan nuværende eksperimentel opsætning og metode bruges til at simulere andre oceaniske fænomener, såsom den oceaniske vandrette konvektion, dybhavsfiskeri hydrotermiske udbrud, blandet slidlaget uddybning, effekten af ubåd geotermisk på havstrømme, og så videre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. arbejde Tank

Bemærk: Forsøget er udført i en rektangulær tank. Tanken indeholder øverste og nederste plader og en sidevæg. De øverste og nederste plader er lavet af kobber med galvaniseret overflader. Der er en vand kammer i den øverste plade. En elektrisk varmepude indsættes i bundpladen. Siden er lavet af gennemsigtig Plexiglas. Tank størrelse er Lx = 257 mm (længde), Ly = 65 mm (bredde) og Lz = 257 mm (højde). Tykkelsen af dæksiden er 9,5 mm.

  1. Rene kobber pladerne og Plexiglas dæksiden omhyggeligt med destilleret vand.
  2. Samle tank med skruer til at sikre, at beholderen er vandtæt.
  3. Oprette en rustfrit stål stativet (højde af 150 mm) på en optisk tabel og lave tanken over rammen med en varme isolerende plade i mellem, hvilket begrænser den varme udsivning fra arbejde tank til tabellen.
  4. Indsætte tre Termistorer (temperatur stabilitet af 0,01 ° C) i hver tallerken og forbinde dem til et digital multimeter. Bemærk disse Termistorer bliver brugt til at overvåge temperaturer på de øverste og nederste plader.
  5. Placere en mikro-skala ledningsevne og temperatur Instrument (MSCTI) inde i tanken og slutte det til en multifunktions Data erhvervelse (MDA). Lave MSCTI til en motoriseret Precision oversættelse fase (MPTS).
    Bemærk: Bemærk, at MSCTI kan flyttes op og ned af den lodret bevægelse, således at temperatur og saltholdighed profilerne af arbejdsfluidet er opnået. Her har MSCTI temperatur stabilitet af 0,01 ° C, og saltholdigheden stabilitet på 1%. MPTS har positionelle nøjagtighed på 0,005 mm.
  6. Angiv parametrene i tilsvarende programmer af den Digital Multimeter og Multifunktion datafangst, såsom stikprøver priser, data erhvervelse kanaler og opbevaring stier. Her, angive prøveudtagning satser af den digital Multimeter og Multifunktion dataopsamling som 1,0 og 128 Hz, henholdsvis.
  7. Angiv de bevægelige parametre i programmet af den MPTS, herunder den oprindelige holdning, de laveste og højeste positioner, bevæger sig hastighed og acceleration, af MSCTI. Her skal det bevæger sig hastighed og acceleration som 1 mm/s og 0,5 mm/s2, og angive de laveste og højeste stillinger som 20 og 220 mm over bundpladen. Dette fører til en periode af MPTS af 404 s for en op-ned måling. Sæt den oprindelige holdning af MSCTI ved den laveste position.
  8. Holde rumtemperaturen næsten konstant omkring 24 ° C med to high-power klimaanlæg (arbejdende effekt 3000 W).

2. optiske apparater

Bemærk: Under eksperimentet, udviklingen af DC trappe ville blive overvåget med shadowgraph teknik, der er opfyldt med de nedenstående procedurer

  1. Fastgør et stykke af kalkerpapir (25,7 cm x 25,7 cm) på ydersiden af beholderen.
  2. Brug en smal stråle LED lampe som lyskilde. Placer lyskilden omkring 5 m fra anden siden af tanken, så en næsten kollimeres lys kan genereres. Bemærk, at under eksperimentet DC lag flydende struktur er belyst på kalkerpapir på grund af tæthed ændringen (svarer til ændringen af indeks af refraktion) af væsken.
  3. Placer en højhastigheds videokamera på samme side af kalkerpapir. Det er omkring 1 m væk fra tanken, så de lagdelte strukturer med fuld-størrelse tanken kan registreres.
  4. Indstil samplingshastigheden for videokameraet. Bemærk at samplingfrekvens bør være passende at fange detaljerne i trappe udviklingstendenser. Her er camcorderen samplefrekvensen 25 Hz.
  5. Tænd for lampen og videokamera, og justere lidt deres potions og afstande, for at sikre, at klare billeder kan blive fanget af kameraet.

3. arbejdsfluidet

  1. Forberede det saltvand og frisk vand i to tanke.
    1. Deltag to identiske rektangulære tanke (tank A og tank B) af en fleksibel slange (10 cm i længden, indre diameter 6 mm og 10 mm i udvendig diameter) fra bunden af hver enkelt.
    2. Fyld tanken A med saltvand, dens massekoncentration af salt (dvs., saltholdighed) er 60 g/kg i dette eksempel.
    3. Fyld tanken B med et lige saa stort volumen af de gasset ferskvand, og bruge en elektrisk magnetomrører til løbende homogeniseres væsken.
    4. Holde den oprindelige flydende temperatur i begge tanke er de samme som stuetemperatur (24 ° C).
  2. Etablere lineær massefylde stratificering i orden tank.
    1. Bruge dobbelt-tank metode29 til at etablere et indledende lineær stratificering af saltvand i orden tank.
    2. Placer tank A og B på samme højde, som er 30 cm højere end den arbejdende tank. Deltag tank B og arbejder tank med en anden fleksibel slange (50 cm i længden, indvendig diameter på 2 mm og 5 mm ydre diameter) fra deres bunde. På grund af væsketryk forskellen i disse to tanke, kan væske i tank B injiceres langsomt i orden tank.
    3. Styre flow hastighed med en peristaltisk pumpe på 0,45 mL/s. Note vand fylder hele tiden til arbejde tank er omkring 3 h. Beregn saltholdighed på bunden af tanken, arbejder baseret på29
      Equation 1(1)
      hvor SA, V og V0 er saltholdighed af tank A, den sidste væske volumen af tanken, arbejde og den indledende væske volumen af tank A (eller B), henholdsvis. Ved hjælp af saltholdighed i bunden SB og det ferske vand øverst, er opdrift hyppigheden af indledende stratificering N0
      Equation 2(2)
      hvor g er tyngdeaccelerationen, Rho0 er reference tæthed og β er saltholdighed sammentrækning koefficient. Bemærk N0 beregnes som 1,14 rad/s i dette eksempel.

4. kører forsøget

  1. Indstille randbetingelser for arbejdende tank.
    1. Tilsluttes en nedkølet cirkulationspumpe med otte ensartet fordelt blødt plastikrør (150 cm i længden, 10 mm indre diameter og 15 mm ydre diameter) vand kammer i den øverste plade. Bemærk, at temperaturen i den øverste plade afhænger af temperaturen af den kølede cirkulationspumpe. Indstil temperaturen af den øverste plade er den samme som stuetemperatur (24 ° C).
    2. Tilslut elektrisk varmepuden inde bundplade til en jævnstrøm Supply. Bemærk en konstant varme flux er fastsat til arbejdsfluidet i løbet af dette eksperiment, der beregnes som
      Equation 3(3)
      hvor U, R og A er den medfølgende spænding, pad elektrisk modstand og effektive areal af El-varme henholdsvis. I dette eksempel, modstand og effektive areal er 44.12 ohm og 1.89 × 10-2 m2. Sæt den medfølgende spænding som 60 V, således at den samlede varme flux Fh er 4317 W/m2.
  2. Tænde videokameraet til at optage strømningsmønster.
  3. Tænd det digitale Multimeter, Multifunktion dataopsamling at overvåge temperaturen i de øverste og nederste plader og temperatur og saltholdighed af væske ved hjælp af MSCTI.
  4. Drej på MPTS at flytte MSCTI op og ned for at opnå temperatur og saltholdighed profilerne af arbejdsfluidet.
  5. Tænd den kølede cirkulationspumpe og jævnstrøm levere at nå de øverste og nederste randbetingelser af arbejdsfluidet.
    Bemærk: Bemærk at hele eksperimentet vil opleve generation, udvikling, mergence og forsvinden af DC trappe, og det vil vare ca 5 timer. Efter forsvinden af alle DC trapper, deaktivere den jævnstrøm Supply, nedkølet cirkulationspumpe, MPTS, Digital Multimeter, Multifunktion dataopsamling og videokamera igen.

5. databehandling

  1. Shadowgraph billede
    1. Brug en Matlab program til at konvertere videoen optaget af videokamera til flere på hinanden følgende billeder for yderligere analyse. Skræddersy disse billeder til at fremhæve strømningsmønster inden for tanken. Angive digitale billede intensiteten som jeg (x, z), hvor (x, z) angiver de vandrette og lodrette koordinater med oprindelse i nederste venstre hjørne af billedet. Bemærk I (x, z) varierer over (0, 1) med grå niveau af 256. Normalisere hvert billede af et baggrundsbillede som30
      Equation 4(4)
      hvor Equation 5 er den gennemsnitlige billede intensitet over 10 billeder taget før den køling og opvarmning anvendes, Equation 6 betegner intensiteten af jegth billede. På denne måde kan de stationære defekter i billederne fjernes. For at undersøge den tidsmæssige udvikling af DC mønster, hvert billede kan blive konverteret til en enkelt lodret intensitet udsving profil, Equation 7 , ved at beregne billede intensitet udsving (dvs., root-mean-square intensitet) langs den vandret retning Equation 7 . Plot intensitet udsving profiler Equation 7 af de efterfølgende billeder sammen med stigende tid til at vise udviklingen af DC trapper.
  2. Temperatur og saltholdighed profiler
    1. Bemærk i dette eksperiment de lodrette profiler af temperatur og saltholdighed af arbejdsfluidet måles ved op-ned bevægelse MSCTI. Beregne den tidsmæssige højde, h(t), af MSCTI med middelværdi bevæger sig hastighed w, tiden t, den start tid t0 (svarende til den laveste position), den laveste position hL og højeste position hH, som
      Equation 8(5)
      hvor Equation 9 er MSCTI flytter periode fra laveste (højeste) til højeste (laveste) position, Nielsen og δ henholdsvis de integrerende og fraktioneret dele,. Derefter beregne tidsmæssige højde h(t) som
      Equation 10(6)
      Bemærk i ligning (6), hvis n er lige, MSCTI er på vej op; ellers er MSCTI bevæger sig ned. Afbilde den tid serien temperatur t(ô) og saltholdighed S(t) med hensyn til højde h(t) at få de lodrette temperatur og saltholdighed profiler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser skematisk af opsætningen af eksperimenterende. Dens komponenter er beskrevet i protokollen. De vigtigste dele er vist i figur 1a og detaljeret arbejde tanken er vist i figur 1b. Figur 2 viser temperaturændringer i bunden (Tb, den røde kurve) og top (Tt, den sorte kurve) plader. Det angives, at temperaturen i de to plader er næsten det samme som stuetemperatur (24 ° C) i første omgang. På t = 641 s, top-køling og bunden-varme anvendes. Så begynder Tb at stige hurtigt, fra 24 ° C til 57 ° C, mens Tt er næsten konstant indtil tid når 7683 s. I dette tidsinterval forventes det at varmen overføres opad til væsken, men har ikke nået den øverste plade. På omkring t = 8000 s, Tb opnår sin maksimale, 57 ° C, og Tt begynder at stige gradvis, hvilket indebærer, at bunden varme når den øverste plade. Fra da af er hele tanken helt fyldt af DC trappe strukturer. Derefter bundplade temperaturen begynder at falde og top-plade temperaturen fortsætter med at stige. På omkring t = 14800 s, både Tb og Tt ændres brat, som svarer til forsvinden af den sidste grænseflade inden for tanken. Efterfølgende, både Tb og Tt tilgang konstante værdier, hvor hele konstant flow tilstand tilhører Rayleigh-Bénard konvektion26.

Figur 3a viser en øjeblikkelig shadowgraph billede taget på t = 3375 s. Der er tre grænseflader og tre convecting lag i tanken. I det convecting lag er den væske tæthed homogene, mens i den grænseflade, store tæthed (eller index of refraktion) gradient findes, som producerer stærke lysintensitet udsving. Figur 3b viser intensiteten udsving profil Equation 7 , hvor holdninger Equation 7 toppe er der svarer til de af grænsefladerne. Figur 3 viser intensitet udsving profilen Equation 7 af shadowgraph image som en funktion af tiden Equation 7 . Det udstiller den tidsmæssige udvikling af DC trappe i eksperimentet, ledsaget med dynamiske processer, dvs lag produktion, udvikling og forsvinden. Når systemet er opvarmet, et convecting lag danner og tykkere gradvist fra bunden af systemet. En skarp grænseflade ligger mellem det convecting lag og den ovenstående statiske væske. Når bunden convecting lag når en vis tykkelse, en ny convecting lag former over grænsefladen. I mellemtiden, de convecting lag og grænseflader vandrer opad. En lignende proces fortsætter, indtil en ny convecting lag danner over den øverste grænseflade. I forbindelse med udvikling, to tilstødende lag kan flette eller ét lag er eroderet af en anden. På om t = 8000 s, hele tanken er besat af syv convecting lag. Lag fletning er den eneste proces, og antallet af lag reducerer gradvist. På om t = 14800 s, kun en enkelt convecting roll eksisterer i hele tanken efter den sidste grænseflade forsvinder, og den konvektive flow tilstand nærmer en stabil Rayleigh-Bénard konvektion. Som vist i figur 2 og figur 3 c, er temperatur afvigelser i de øverste og nederste plader svarer til de dynamiske ændringer af trapper. Registrerede temperatur og saltholdighed profiler er vist i figur 4. Bemærk at temperatur og saltholdighed profilerne er løbende forskydes med 1,5 ° C, og 3,0 g/kg, henholdsvis, for bedre afklare. Tidsinterval mellem to nabo profiler er 404 s. I denne figur udstille disse profiler klart dynamics ændringer af trappe strukturer. Mønstre af trapper er der svarer med lag og grænseflader indspillet i shadowgraph målinger (figur 3 c).

Figure 1
Figur 1. Skematisk af opsætningen af eksperimenterende (a) vigtigste bestanddele af opsætningen af eksperimenterende. (b) opsætning af arbejdende tank. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. Temperaturændringer i bunden (rød kurve) og top (sort kurve) plader under eksperimentet. Den grå kurve betegner miljø temperatur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. Øjeblikkelige shadowgraph billede og efterbehandling a Shadowgraph billedet på t = 3375 s, b intensitet udsving langs z retning, Equation 7 , af billede intensiteten i figur 3a, c tidsmæssige udvikling af DC mønster med farve skygge viser Equation 7. Den hvide stiplede linje svarer til profil vist i figur 3b. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. Successive DC evolution profiler. Top: Temperatur profiler, bunden: saltholdighed profiler. Intervaller af temperatur af 1,5 ° C, og saltholdigheden 3.0 g/kg mellem de tilstødende profiler anvendes. Tidsinterval mellem to nabo profiler er 404 s. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I dette dokument beskrives en udførligt beskrevet forsøgsplan for at simulere termohaline DC trappe strukturer i en rektangulær tank. En indledende lineær massefylde stratificering af arbejdsfluidet er konstrueret ved hjælp af metoden to-tank. Den øverste plade holdes ved en konstant temperatur og bunden en på konstant varme flux. Hele udviklingen processen med DC trappe, herunder dens produktion, udvikling, mergence og forsvinden, er visualiseret med shadowgraph teknik, og varianserne for temperatur og saltholdighed registreres af en high-præcision sonde. Med disse målinger, kan man ikke kun kvalitativt observere ændringer af trappe, men også kvantitativt analysere ændringer af temperatur, saltholdighed og densitet. Derudover kan afvigelser af lag tykkelse og varme flux være parametre for i situ oceaniske programmer26,27. Nogle repræsentative eksperimentelle resultater er vist og diskuteret med tallene.

Taktfast 3.2 er Tank A, Tank B og arbejder tank forbundet under etableringen af den indledende lineær massefylde stratificering for arbejdende tank. Ved lov af tilsluttede fartøjer, væske i tank A flyder automatisk ind i tanken B og strømningshastigheden fra tank B ind i arbejde tanken er netop to gange, fra tank A i tank B, hvilket kan resultere i en lodret lineær massefylde gradient af wor Kongen væske29. I trin 5.1, der kunne identificeres placeringen af hver grænseflade baseret på lokale maksimal intensitet udsving i profilen Equation 7 ; Dette skyldes, at der er stærk lysintensitet udsving på positioner af DC-grænseflader.

Sammenlignet med tidligere DC eksperimenter i litteraturen, kan nuværende setup og metode måle temperatur og saltholdighed profiler og optage væske-mønster billeder synkront. De tidsmæssige og rumlige opløsning er høj nok til at fange de tynde grænseflader samt andre fine turbulente strukturer. Den største begrænsning af denne metode er, at varme udveksling mellem indersiden og ydersiden arbejder tank ikke er blevet registreret, som vil blive yderligere forbedret, hvis nøjagtige lodret varme flux skal måles.

Det er værd at påpege, at i dette eksperiment de indledende tæthed stratificering og randbetingelser kan let kontrolleres som kræves til forskellige formål. Nogle komplekse arbejdsforhold kan også nås med lidt justering, for eksempel den ulineære stratificering kan konstrueres af modulerende forholdet mellem strømningshastigheder fra tank A til tank B og der fra tank B arbejde tanken i to-tank metoder29 . Det forventes derfor, at den nuværende eksperimentelle setup og metode kunne anvendes til at simulere nogle andre oceaniske fænomener, såsom oceaniske vandrette konvektion, dybhavsfiskeri hydrotermiske udbrud, blandet slidlaget uddybning og effekt af ubåd geotermisk på havstrømme, og så videre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af de kinesiske NSF tilskud (41706033, 91752108 og 41476167), Grangdong NSF tilskud (2017A030313242 og 2016A030311042) og LTO grant (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Turner, J. S. Buoyancy Effects in Fluids. , Cambridge Univ. Press, N. Y. 367 (1973).
  2. Schmitt, R. W. Double diffusion in oceanography. Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).
  3. 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).
  4. Robb, L. Introduction to Ore-forming Processes. , Blackwell Publishing. 373 (2004).
  5. Chabrier, G., Baraffe, I. Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective. The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).
  6. Langlois, W. E. Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts. Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).
  7. Chen, C. -F., Johnson, D. H. Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference. Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).
  8. Griffiths, R. W. Layered double-diffusive convection in porous media. Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. Thermal stratification in the Arctic Ocean. Science. 166 (3903), 373-374 (1969).
  15. Padman, L., Dillon, T. M. Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Schmid, M., Busbridge, M. Double-diffusive convection in Lake Kivu. Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. Heat transport through diffusive interfaces. Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Hill, D. F. General density gradients in general domains: the "two-tank" method revisited. Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).
  30. Zhou, S. Q., Ahlers, G. Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal. Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).

Tags

Miljøvidenskab sag 139 stratificeret væske diffuserende konvektion trappe struktur Shadowgraph teknik Convecting lag grænseflade
Udviklingen af trappe strukturer i diffuserende konvektion
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guo, S. X., Zhou, S. Q., Cen, X. R., … More

Guo, S. X., Zhou, S. Q., Cen, X. R., Lu, Y. Z. Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection. J. Vis. Exp. (139), e58316, doi:10.3791/58316 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter