Waiting
Login processing...

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

Environment

Evolutie van de trap structuren in Diffusive convectie

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

Diffusive convectie (DC) komt algemeen in natuurlijke processen en waterbouwkundige toepassingen, gekenmerkt door een aantal trappen met homogene meet lagen en gestratificeerd interfaces. Een experimentele procedure is beschreven is het proces van de evolutie van de DC trap structuur, met inbegrip van de generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in een rechthoekige tank te simuleren.

Abstract

Diffusive convectie (DC) treedt op wanneer de verticale gelaagde dichtheid wordt gecontroleerd door twee tegengestelde scalaire verlopen die duidelijk verschillende moleculaire diffusivities hebben en de grotere - en kleinere-richtgetal scalaire verlopen hebben negatieve en positieve bijdragen voor de distributie van de dichtheid, respectievelijk. De DC treedt op in vele natuurlijke processen en waterbouwkundige toepassingen, bijvoorbeeld, oceanografie, astrofysica en metallurgie. In de oceanen is een van de meest opvallende kenmerken van DC dat de verticale temperatuur en saliniteit profielen trap-achtige structuur, bestaande uit opeenvolgende stappen met dikke homogene meet lagen en relatief dunne en hoge-verloop interfaces. De DC-trappen zijn waargenomen in vele oceanen, vooral in de arctische en Antarctische Oceaan, en spelen een belangrijke rol op de oceaancirculatie en het klimaat schadelijke emissies. In de Noordelijke IJszee bestaan er bekken bestrijkende en voortdurende DC trappen in de bovenste en diepe oceanen. De DC-proces heeft belangrijke gevolgen voor diapycnal mengen in de bovenste Oceaan en aanzienlijk invloed kan hebben de oppervlakte ijs smelten. Vergeleken met de beperkingen van veldwaarnemingen, toont laboratorium experiment zijn unieke voordeel om effectief onderzoek de huidige dynamische en thermodynamische processen in DC, aangezien de randvoorwaarden en de gecontroleerde parameters kunnen strikt worden aangepast. Hier is een gedetailleerde protocol beschreven het evolutie proces van DC trap structuur, met inbegrip van haar generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in een rechthoekige tank gevuld met gestratificeerd zoute water te simuleren. De experimentele opzet, evolutie proces, data-analyse en bespreking van de resultaten worden in detail beschreven.

Introduction

Dubbele diffusive convectie (DDC) is één van de belangrijkste verticale mengen processen. Het treedt op wanneer de dichtheid van de verticale verdeling van de gestratificeerde waterkolom wordt gecontroleerd door twee of meer onderdelen van de scalaire gradiënten van tegengestelde richtingen, waar de onderdelen duidelijk verschillende moleculaire diffusivities1 hebben. Breed komt voor in de oceanografie2, de sfeer3, geologie4, astrofysica5, materiaalkunde6, metallurgie7en architectural engineering8. DDC is aanwezig in bijna de helft van de wereldwijde oceaan, en het heeft belangrijke gevolgen voor de oceanische Multi-Scale processen en zelfs klimatologische veranderingen9.

Er zijn twee primaire modi voor DDC: zout vinger (SF) en diffusive convectie (DC). SF treedt op wanneer een warme, zoute water massa overlies koeler, frisser water in de gestratificeerde omgeving. Wanneer het warm en zoute water onder het water koud en fris ligt, zal de DC vormen. Het opvallende kenmerk van de DC is dat de verticale profielen temperatuur, zoutgehalte of dichtheid trap-achtige, gecomponeerd door alternant homogene meet lagen en dun, sterk gestratificeerd interfaces. DC treedt vooral op in hoge latitude oceanen en sommige interieur zoutmeren, zoals de arctische en Antarctische Oceaan, de zee van Ochotsk, de rode zee en de Afrikaanse Kivu Lake10. In de Noordelijke IJszee bestaan er bekken bestrijkende en voortdurende DC trappen in de bovenste en diepe oceanen11,12. Het heeft een belangrijk effect op diapycnal mengen in de bovenste Oceaan en aanzienlijk kan beïnvloeden het ijs smelten, dat recentelijk steeds meer belangen in de oceanografie Gemeenschap13oproept.

De DC trap structuur werd voor het eerst ontdekt in de Noordelijke IJszee in 196914. Na dat, Padman & Dillon15, Timmermans, et al.. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18en Shibley et al. 19 gemeten de DC trappen in verschillende stroomgebieden van de Noordelijke IJszee, met inbegrip van de verticale en horizontale schaal meet laag en interface, de diepte en de totale dikte van de trap, de verticale warmteoverdracht, de processen van de DC in MESOSCHAAL eddy en de temporele en ruimtelijke veranderingen van de structuren van de trap. Schmid et al. 20 en Sommer et al. de DC-trappen 21 waargenomen met behulp van een microstructuur profiler in Kivu meer. Zij meldde de hoofdstructuur functies en warmte toeslagstoffen voor DC en ten opzichte van de lichtstromen gemeten warmte met de bestaande parametrische formule. Met computer verwerking snelheden verbeteren, zijn onlangs de numerieke simulaties van DC gedaan, bijvoorbeeld, te onderzoeken van de interface structuur instabiliteit, warmte-overdracht via interface, laag fuserende gebeurtenis en22, enzovoort 23 , 24.

Veld observatie heeft het begrip van de oceaan DC voor oceanografen aanzienlijk verbeterd, maar de meting wordt sterk beperkt door onbepaalde oceanische stroom omgevingen en instrumenten. Bijvoorbeeld, de DC-interface heeft een uiterst kleine verticale schaal, dunner dan 0,1 m in sommige meren en oceanen25, en sommige speciale hoge resolutie instrumenten nodig zijn. Het laboratorium experiment toont zijn unieke voordelen in het verkennen van de fundamentele wetten van de dynamische en thermodynamische voor DC. Met een laboratorium experiment, kan een observeren van de evolutie van de DC-trap, de temperatuur en het zoutgehalte meten en stellen sommige parameterizations voor de oceanische toepassingen26,27. Bovendien, in een laboratorium experiment, de gecontroleerde parameters en voorwaarden worden gemakkelijk aangepast zoals vereist. Bijvoorbeeld Turner eerst gesimuleerd van de DC-trap in het laboratorium in 1965 en een warmte overdracht parametrage voorgesteld over de diffusive interface, die is vaak bijgewerkt en uitgebreid gebruikt in de in situ oceanische opmerkingen28 .

In deze paper is een gedetailleerde experimenteel protocol beschreven het proces van de evolutie van de DC-trap, met inbegrip van de generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in gestratificeerd zout water van onderaf verwarmd te simuleren. De temperatuur en het zoutgehalte zijn gemeten door een micro-schaal instrument, alsmede de trappen van de DC met de techniek van de shadowgraph wordt gecontroleerd. De experimentele opzet, evolutie proces, data-analyse en bespreking van de resultaten worden in detail beschreven. Door een wijziging van de initiële en randvoorwaarden, kunnen de huidige experimentele opzet en de methode worden gebruikt voor het simuleren van andere oceanische verschijnselen, zoals de oceanische horizontale convectie diepzee hydrothermische uitbarstingen, gemengde toplaag verdieping, het effect van onderzeeër geothermische op oceaancirculatie, enzovoort.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. werkende Tank

Opmerking: Het experiment wordt uitgevoerd in een rechthoekige tank. De tank omvat boven- en onderkant platen en een zijwand. De boven- en onderkant platen zijn gemaakt van koper met gegalvaniseerde oppervlakken. Er is een kamer van het water binnen de bovenste plaat. Een elektrische verwarming pad wordt ingevoegd in de bodemplaat. De zijwand is gemaakt van transparant Plexiglas. De grootte van de tank is Lx 257 mm (lengte), Ly = = 65 mm (breedte) en Lz = 257 mm (hoogte). De dikte van de zijkant aangegeven spanningsindex is 9,5 mm.

  1. Reinig de koperen platen en de zijwand Plexiglas zorgvuldig met gedestilleerd water.
  2. Het monteren van de tank met schroeven om ervoor te zorgen dat de tank waterdicht is.
  3. Een ondersteunend frame van roestvrij staal (hoogte van 150 mm) instellen op een optische tafel en monteren van de tank boven het frame met een thermisch isolerende plaat tussen, waardoor de lekkage van de warmte uit de tank van de werken aan de tabel wordt beperkt.
  4. Drie thermistors (temperatuur stabiliteit van 0,01 ° C) invoegen in elke plaat en sluit ze aan op een digitale multimeter. Opmerking dat deze thermistors worden gebruikt om te controleren van de temperatuur van de boven- en onderkant platen.
  5. Plaatst u een Micro-schaal geleidbaarheid en temperatuur Instrument (MSCTI) in de tank en sluit deze tot een multifunctioneel Data acquisitie (MDA). De MSCTI naar een gemotoriseerde precisie vertaling fase (MPTS) vast te stellen.
    Opmerking: Merk op dat de MSCTI omhoog en omlaag kan worden verplaatst door de verticaal bewegen, zodat de temperatuur en saliniteit profielen van het werkmedium zijn bereikt. Hier heeft de MSCTI temperatuur stabiliteit van 0,01 ° C en zoutgehalte stabiliteit van 1%. De MPTS heeft positionele nauwkeurigheid van 0,005 mm.
  6. Stel de parameters in het bijbehorende software programma's van de Digitale Multimeter en de multifunctionele Data-acquisitie, zoals samplingfrequenties, overname gegevenskanalen en opslag paden. Hier, het stellen van de tarieven van de bemonstering van de Digitale Multimeter en de multifunctionele Data-acquisitie als 1.0 en 128 Hz, respectievelijk.
  7. De bewegende parameters instelt in het softwareprogramma van de MPTS, met inbegrip van de aanvankelijke positie, de laagste en de hoogste posities, verplaatsen van snelheid en versnelling, van de MSCTI. Hier stelt de bewegende snelheid en versnelling als 1 mm/s en 0.5 mm/s2, en de laagste en de hoogste posities als 20 en 220 mm boven de bodemplaat. Dit leidt tot een periode van de MPTS van 404 s voor een up-down-meting. De aanvankelijke positie van de MSCTI ingesteld op de laagste positie.
  8. Houd de kamer temperatuur vrijwel constant ongeveer 24 ° C met twee krachtige airconditioners (werkende kracht van 3000 W).

2. optische apparatuur

Opmerking: Tijdens het experiment, de evolutie van de DC-trap zou worden gecontroleerd met de shadowgraph-techniek, die is vervuld met de onderstaande procedures

  1. Bevestig een stuk van calqueerpapier (25.7 x 25.7 cm) aan de buitenkant van de tank.
  2. Een smalle beam LED-lamp als de lichtbron te gebruiken. Plaats de lichtbron ongeveer 5 m afstand van de andere kant van de tank, zodat een bijna collimated licht kan worden gegenereerd. Merk op dat tijdens het experiment de DC structuur van de vloeistof gelaagde brandt op de calqueerpapier vanwege de verandering van de dichtheid (overeenkomend met de verandering van de brekingsindex) van de vloeistof.
  3. Plaats een high-speed camcorder aan dezelfde kant van het papier van de tracering. Het is ongeveer 1 meter van de tank, zodat de gelaagde structuren met de full-size tank kunnen worden opgenomen.
  4. Stel de samplefrequentie van de camcorder. Merk op dat de samplefrequentie te vangen de details van de evoluties van de trap moet zijn. Hier is de bemonsteringsfrequentie van de camcorder 25 Hz.
  5. Zet de lamp en de camcorder, en enigszins aanpassen hun drankjes en afstanden, om ervoor te zorgen dat duidelijke beelden kan worden vastgelegd door de camcorder.

3. werkmedium

  1. Het zout en zoet water in twee tanks voor te bereiden.
    1. Voeg twee identieke rechthoekige tanks (tank A en tank B) door een flexibele buis (10 cm in lengte, inwendige diameter 6 mm en 10 mm buitendiameter) vanaf de onderkant van elk.
    2. Vullen tank A met zout water, de massaconcentratie van zout (dat wil zeggen, zoutgehalte) is 60 g/kg in dit voorbeeld.
    3. Vul de tank B met een gelijk volume-vergast vers water, en gebruik een elektrische magneetroerder om voortdurend het homogeniseren van de vloeistof.
    4. Houd de aanvankelijke vloeistof temperatuur binnen beide tanks hetzelfde als de kamertemperatuur (24 ° C).
  2. Lineaire dichtheid gelaagdheid in de tank van de werken vast.
    1. Gebruik de methode double-tank29 om een eerste lineaire stratificatie van het zoute water in de tank van de werken.
    2. Plaats tank A en B op dezelfde hoogte, dat 30 cm hoger dan de tank werken is. Join tank B en de tank van het werken met een flexibele buis (50 cm lang, 2 mm binnendiameter en buitendiameter 5 mm) uit hun bodems. Vanwege het materiaaldruk verschil in deze twee tanks, kan de vloeistof in de tank B langzaam worden geïnjecteerd in de tank van de werken.
    3. Controle van de snelheid van de stroom met een peristaltische pomp bij 0,45 mL/s. Opmerking de hele tijd van water-vulling voor de werkende tank is ongeveer 3 h. berekenen het zoutgehalte op de bodem van de tank van de werken op basis van29
      Equation 1(1)
      waar SA, V en V0 zijn zoutgehalte van tank A, de vloeistof eindvolume van de tank van de werken en de aanvankelijke vloeistof omvang van tank A (of B), respectievelijk. Het gebruik van het zoutgehalte onderaan SB en het verse water aan de bovenkant, is de frequentie van het drijfvermogen van eerste stratificatie N0
      Equation 2(2)
      waar g is de zwaartekrachtsversnelling, ρ0 is verwijzing dichtheid en β is zoutgehalte contractie coëfficiënt. Opmerking de N0 wordt berekend als 1.14 rad/s in dit voorbeeld.

4. het uitvoeren van het Experiment

  1. Stel de randvoorwaarden voor de werkende tank.
    1. De kamer van de water van de bovenplaat verbinden met een gekoelde rondpompthemostaat met acht gelijkmatig verdeelde plastic zachte buizen (150 cm lang en 10 mm binnendiameter en buitendiameter 15 mm). Merk op dat de temperatuur van de bovenste plaat is afhankelijk van de temperatuur van de gekoelde rondpompthemostaat. Stel de temperatuur van de bovenste plaat te zijn hetzelfde als de kamertemperatuur (24 ° C).
    2. Verbinden met de elektrische verwarming pad binnen de bodemplaat een gelijkstroom leveren. Opmerking een constante warmtestroom worden verstrekt om het werkmedium tijdens dit experiment, dat wordt berekend als
      Equation 3(3)
      Indien U, R en A de geleverde spanning zijn, pad elektrische weerstand en effectieve oppervlakte van de elektrische verwarming, respectievelijk. In dit voorbeeld, de weerstand en de effectieve gebied zijn 44.12 ohm en 1.89 × 10-2 m2. Stel de meegeleverde spanning zoals 60 V, zodat de totale warmte flux Fh is 4317 W/m2.
  2. Schakel de videocamera om vast te leggen van de stroom patroon.
  3. Schakel de Digitale Multimeter, multifunctionele Data-acquisitie ten aanzien van de temperatuur van de boven- en onderkant platen en de temperatuur en het zoutgehalte van vloeistof met behulp van de MSCTI.
  4. De MPTS te verplaatsen van de MSCTI omhoog en omlaag om de profielen van de temperatuur en het zoutgehalte van het werkmedium inschakelen.
  5. Zet de gekoelde rondpompthemostaat en de gelijkstroom Supply tot de boven- en onderkant randvoorwaarden van het werkmedium.
    Opmerking: Nota van dat het hele experiment de generatie, de ontwikkeling, de zangpartijen, en de verdwijning van de DC-trap beleeft, en het duurt ongeveer 5 uur. Na de verdwijning van alle DC trappen, uitschakelen de gelijkstroom Supply, gekoeld rondpompthemostaat MPTS, Digitale Multimeter, multifunctionele Data-acquisitie en camcorder op zijn beurt.

5. de verwerking van de gegevens

  1. Shadowgraph afbeelding
    1. Een Matlab-programma gebruikt voor het converteren van de video opgenomen door de camcorder aan opeenvolgende beelden voor verdere analyse. Het aanpassen van deze beelden om te accentueren het patroon van de stroming in de tank. Instellen van de intensiteit van de digitale afbeelding als ik (x, z), waar (x, z) geeft de horizontale en verticale coördinaten met de oorsprong op de linkerbenedenhoek van de afbeelding. Opmerking ik (x, z) varieert (0, 1) met grijze niveau van 256. Normaliseren van elke afbeelding door een achtergrondafbeelding als30
      Equation 4(4)
      waar Equation 5 is de intensiteit van de gemiddelde beeld over 10 beelden genomen voordat de koeling en verwarming wordt toegepast, Equation 6 geeft de intensiteit van de ith afbeelding. Op deze manier kunnen de stationaire gebreken in de afbeeldingen worden verwijderd. Om te onderzoeken van de temporele evolutie van DC patroon, elk beeld kan worden geconverteerd naar een interne verticale intensiteit schommelingen profiel, Equation 7 , door het berekenen van de afbeelding intensiteit schommelingen (dat wil zeggen,--kwadratische gemiddelde intensiteit) langs de horizontale richting Equation 7 . Uitzetten van de intensiteit schommelingen profielen Equation 7 van de opeenvolgende beelden samen met verhoging van tijd om te laten zien van de evoluties van de DC-trappen.
  2. Temperatuur en saliniteit profielen
    1. Opmerking in dit experiment de verticale profielen van temperatuur en het zoutgehalte van het werkmedium zijn gemeten door de omhoog / omlaag bewegende MSCTI. Berekenen van de temporele hoogte, h(t), van de MSCTI met de gemiddelde snelheid w tijdstip t, de eerste tijd t0 (overeenkomend met de laagste positie), de laagste positie hL verplaatsen en hoogste plaats hH, als
      Equation 8(5)
      waar Equation 9 de MSCTI evolueert periode uit de laagste (hoogste) naar hoog (laagste) positie, n en δ zijn de integraal en fractionele delen, respectievelijk. Vervolgens berekent de temporele hoogte h(t) als
      Equation 10(6)
      Opmerking in vergelijking (6), als n zelfs, de MSCTI gaat anders is de MSCTI naar beneden. Plot de tijd serie temperatuur T(t) en zoutgehalte S(t) in termen van hoogte h(t) om de verticale temperatuur en saliniteit profielen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 1 toont de schematische voorstelling van de experimentele opstelling. De componenten ervan worden beschreven in het protocol. De belangrijkste onderdelen worden weergegeven in Figuur 1a en de gedetailleerde werken tank wordt weergegeven in Figuur 1b. Figuur 2 toont de temperatuurveranderingen aan de onderkant (Tb, de rode curve) en top (T-t, de zwarte curve) platen. Wordt aangegeven dat de temperatuur van de twee platen zijn bijna hetzelfde als de kamertemperatuur (24 ° C) in eerste instantie. Op t = 641 s, de top-koeling en onder-verwarming worden toegepast. Vervolgens begint Tb snel, stijgen van 24 ° C tot 57 ° C, terwijl Tt vrijwel constant is tot de tijd 7683 s bereikt. Tijdens dit tijdsbereik verwacht wordt dat de verwarming omhoog wordt overgedragen aan de vloeistof, maar heeft niet de bovenste plaat bereikt. Op ongeveer t = 8000 s, Tb bereikt zijn maximale, 57 ° C en Tt begint geleidelijk, te verhogen hetgeen impliceert dat de verwarming van de onderkant de top plaat bereikt. Daarna is de hele tank helemaal vol met DC trap structuren. Vervolgens de bodemplaat temperatuur begint te dalen en de plafondstuk temperatuur blijft toenemen. Op ongeveer t = 14800 s, zowel Tb Tt veranderen en abrupt, die correspondeert met het verdwijnen van de laatste interface binnen de tank. Vervolgens zowel Tb en Tt aanpak constante waarden, waar de hele gestage stroom staat behoort tot de Rayleigh – Bénard convectie26.

Figuur 3a geeft een beeld van de momentane shadowgraph genomen op t = 3375 s. Er zijn drie interfaces en drie meet lagen in de tank. In de meet laag is de dichtheid van de vloeistof homogeen, terwijl in de interface, grote dichtheid (of brekingsindex) verloop bestaat, die sterke lichtintensiteit schommelingen produceert. Figuur 3b ziet u de intensiteit schommelingen profiel Equation 7 , waar de standpunten van Equation 7 pieken zijn overeenstemmen met die van de interfaces. Figuur 3 c toont de intensiteit schommelingen profiel Equation 7 van shadowgraph beeld als een functie van de tijd Equation 7 . Het vertoont de temporele evolutie van de DC-trap in het experiment, vergezeld met dynamische processen, dat wil zeggen de laag generatie, ontwikkeling en verdwijnen. Zodra het systeem wordt verwarmd, een meet laag vormt en dikker geleidelijk vanaf de onderkant van het systeem. Een sterke interface ligt tussen de meet laag en de bovenstaande statische vloeistof. Wanneer bereikt de bodem meet laag een bepaalde dikte, een nieuwe meet laag vormt boven de interface. Ondertussen, de meet lagen en interfaces migreren naar boven. Een soortgelijk proces gaat zo door totdat een nieuwe meet laag boven de bovenste interface vormt. In het proces van evolutie, twee aangrenzende lagen mogen fuseren of een laag wordt uitgehold door een ander. Bij over t = 8000 s, de hele tank is bezet door zeven meet lagen. Voortaan, het samenvoegen van de laag is het enige proces en het aantal lagen geleidelijk vermindert. Bij over t = 14800 s, slechts een enkele meet worp bestaat in de gehele tank nadat de laatste interface verdwijnt, en de stand van de convectie stroom aanpak een stabiele Rayleigh-Bénard convectie. Zoals blijkt uit Figuur 2 en Figuur 3 c, de temperatuur afwijkingen van de bovenste en onderste platen zijn dat overeenkomt met de dynamische veranderingen van de trappen. De geregistreerde temperatuur en saliniteit profielen worden weergegeven in Figuur 4. Merk op dat de temperatuur en saliniteit profielen voortdurend door 1,5 ° C verschoven zijn, en 3,0 g/kg, respectievelijk, voor betere verduidelijken. Het tijdsinterval tussen twee buurman profielen is 404 s. In deze figuur vertonen deze profielen duidelijk de veranderingen van de dynamiek van de structuren van de trap. De patronen van de trappen zijn overeenkomt met lagen en interfaces opgenomen de shadowgraph metingen (Figuur 3 c).

Figure 1
Figuur 1. Schematische van de experimentele opstelling (a) belangrijkste samenstellende delen van de experimentele opstelling. (b) installatie van de werkende tank. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2. Temperatuurveranderingen aan de onderkant (rode curve) en top (zwarte kromme) platen tijdens het experiment. De grijze curve geeft de omgevingstemperatuur. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3. Momentane shadowgraph beeld en post-processing Shadowgraph (een) afbeelding op t = 3375 s, (b) intensiteit schommelingen langs de z-richting, Equation 7 , van de intensiteit van de afbeelding in Figuur 3a, c temporale evolutie van DC patroon met kleur arcering weergegeven: Equation 7. De witte onderbroken lijn komt overeen met profiel weergegeven in Figuur 3b. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4. Opeenvolgende DC evolution profielen. Top: Temperatuurprofielen, bodem: zoutgehalte profielen. Stappen van de temperatuur met 1,5 ° C, en zoutgehalte door 3.0 g/kg tussen de naburige profielen worden toegepast. Het tijdsinterval tussen twee buurman profielen is 404 s. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In deze paper wordt een gedetailleerde experimenteel protocol beschreven ter simulering van de thermohaliene DC trap structuren in een rechthoekige tank. Een eerste lineaire dichtheid stratificatie van werkmedium is gebouwd met behulp van de twee-tank-methode. De bovenste plaat wordt bewaard op een constante temperatuur en de onderste bij constante warmtestroom. Het proces van de gehele evolutie van de DC-trap, met inbegrip van haar generatie, ontwikkeling, zangpartijen en verdwijning, worden gevisualiseerd met de techniek van de shadowgraph, en de afwijkingen van de temperatuur en het zoutgehalte worden geregistreerd door een hoog-nauwkeurigheid sonde. Met deze metingen, kan een niet alleen kwalitatief observeren de veranderingen van de trap, maar ook kwantitatief analyseren de veranderingen van de temperatuur, zoutgehalte en dichtheid. Bovendien kunnen de varianties van laag dikte en warmte flux worden parameters voor in situ oceanische toepassingen26,27. Sommige representatieve experimentele resultaten worden getoond en besproken met de cijfers.

In stap 3.2, de Tank-A, B van de Tank en de tank werken verbonden tijdens de totstandbrenging van de eerste lineaire dichtheid stratificatie voor de werkende tank. Door de wet van de aangesloten vaartuigen, de vloeistof in de tank A automatisch uitmondt in de tank B, en het debiet van de tank B in de werk-tank is precies tweemaal dat uit de tank A in de tank B, die in een verticaal lineaire dichtheid verloop van de wor resulteren kan koning vloeistof29. In stap 5.1, de positie van elke interface kon worden geïdentificeerd op basis van de schommelingen van de lokale maximumlichtsterkte van het profiel Equation 7 ; Dit is omdat er sterke lichtintensiteit schommelingen op de posities van de DC-interfaces.

Vergeleken met eerdere DC experimenten in de literatuur, kunnen de huidige instelling en methode meten van de temperatuur en saliniteit profielen en opnemen van de vloeistof-patroon beelden synchroon. De temporele en ruimtelijke resoluties zijn hoog genoeg om het vastleggen van de dunne interfaces, alsmede andere fijne turbulente structuren. De belangrijkste beperking van deze methode is dat de warmte-uitwisseling tussen de binnen en buiten de tank werken niet geconstateerd, die verder zal worden verbeterd als de nauwkeurige verticale warmtestroom moet worden gemeten.

Het is de moeite waard erop te wijzen dat in dit experiment de oorspronkelijke dichtheid stratificatie en randvoorwaarden kunnen gemakkelijk worden beheerd als vereist voor verschillende doeleinden. Sommige complexe arbeidsomstandigheden kunnen ook worden bereikt met lichtjes aanpassing, bijvoorbeeld de niet-lineaire stratificatie kan worden geconstrueerd door het moduleren van de verhouding van de stroomsnelheid van A naar B tank tank en die uit de tank B aan de tank van de werken in de twee-tank-methoden29 . Dus de verwachting is dat de huidige experimentele opzet en de methode kunnen worden toegepast om na te bootsen van sommige andere oceanische fenomenen, zoals de oceanische horizontale convectie, diepzee hydrothermische uitbarstingen, gemengde toplaag verdieping en effect van onderzeeër geothermische op oceaancirculatie, enzovoort.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de Chinese NSF subsidies (41706033, 91752108 en 41476167), de Grangdong NSF subsidies (2017A030313242 en 2016A030311042) en de 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

Milieuwetenschappen kwestie 139 gelaagde vloeistof Diffusive convectie trap structuur Shadowgraph techniek meet laag Interface
Evolutie van de trap structuren in Diffusive convectie
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