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प्रसार संवहन में सीढ़ी संरचनाओं का विकास

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

प्रसार संवहन (डीसी) व्यापक रूप से प्राकृतिक प्रक्रियाओं और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में होता है, सजातीय संवहन परतों और स्तरीकृत इंटरफेस के साथ सीढ़ियां की एक श्रृंखला की विशेषता । एक प्रयोगात्मक प्रक्रिया डीसी सीढ़ी संरचना, एक आयताकार टैंक में पीढ़ी, विकास और गायब सहित, के विकास की प्रक्रिया अनुकरण करने के लिए वर्णित है ।

Abstract

प्रसार संवहन (डीसी) तब होता है जब ऊर्ध्वाधर स्तरीकृत घनत्व दो विरोध अदिश ढाल है कि अलग आणविक diffusivities है, और बड़े और छोटे-diffusivity अदिश ढाल नकारात्मक और सकारात्मक है द्वारा नियंत्रित किया जाता है घनत्व वितरण के लिए योगदान, क्रमशः । डीसी कई प्राकृतिक प्रक्रियाओं और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में होता है, उदाहरण के लिए, समुद्र विज्ञान, ताराभौतिकी और धातुकर्म. महासागरों में, डीसी के सबसे उल्लेखनीय सुविधाओं में से एक है कि ऊर्ध्वाधर तापमान और लवणता प्रोफाइल सीढ़ी की तरह संरचना, मोटी सजातीय संवहन परतों और अपेक्षाकृत पतली और उच्च ढाल इंटरफेस के साथ लगातार कदम से बना रहे हैं । डीसी सीढ़ियां कई महासागरों में देखा गया है, विशेष रूप से आर्कटिक और अंटार्कटिक महासागरों में, और महासागर संचलन और जलवायु परिवर्तन पर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । आर्कटिक महासागर में, वहां बेसिन चौड़ा और ऊपरी और गहरे महासागरों में लगातार डीसी सीढ़ियां मौजूद हैं । डीसी प्रक्रिया ऊपरी महासागर में मिश्रण diapycnal पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है और काफी सतह बर्फ पिघलने को प्रभावित कर सकते हैं । क्षेत्र टिप्पणियों की सीमाओं की तुलना में, प्रयोगशाला प्रयोग को प्रभावी ढंग से डीसी में गतिशील और ऊष्मा प्रक्रियाओं की जांच करने के लिए अपने अद्वितीय लाभ से पता चलता है, क्योंकि सीमा शर्तों और नियंत्रित मापदंडों सख्ती से समायोजित किया जा सकता है । यहाँ, एक आयताकार स्तरीकृत खारा पानी से भरा टैंक में, अपनी पीढ़ी, विकास और गायब सहित डीसी सीढ़ी संरचना के विकास की प्रक्रिया अनुकरण करने के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल का वर्णन किया गया है । प्रयोगात्मक सेटअप, विकास प्रक्रिया, डेटा विश्लेषण, और परिणामों की चर्चा विस्तार से वर्णित हैं ।

Introduction

डबल प्रसार संवहन (डीडीसी) सबसे महत्वपूर्ण ऊर्ध्वाधर मिश्रण प्रक्रियाओं में से एक है । यह तब होता है जब स्तरीकृत जल स्तंभ के ऊर्ध्वाधर घनत्व वितरण विपरीत दिशाओं, जहां घटक अलग आणविक diffusivities1है की दो या अधिक अदिश घटकों ढाल द्वारा नियंत्रित किया जाता है । यह व्यापक रूप से2समुद्र विज्ञान में होता है, वायुमंडल3,भूविज्ञान 4, ताराभौतिकी5, सामग्री विज्ञान6, धातुकर्म7, और स्थापत्य अभियांत्रिकी8. डीडीसी वैश्विक महासागर के लगभग आधे में मौजूद है, और यह ओशियानिक बहु पैमाने पर प्रक्रियाओं और यहां तक कि जलवायु परिवर्तन9पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है ।

डीडीसी के लिए दो प्राथमिक मोड हैं: साल्ट फिंगर (एस एफ) और प्रसारात्मक संवहन (DC). एस एफ तब होता है जब एक गर्म, नमकीन पानी जन कूलर, स्तरीकृत वातावरण में नवसिखुआ पानी पर निर्भर करता है । जब गर्म और नमकीन पानी ठंडे और ताजे पानी के नीचे निहित है, तो डीसी बनेगी । डीसी की उल्लेखनीय विशेषता यह है कि तापमान, लवणता और घनत्व के ऊर्ध्वाधर प्रोफाइल सीढ़ी की तरह हैं, alternant समरूप संवहन परतों और पतली, दृढ़ता से स्तरीकृत इंटरफेस द्वारा रचित । डीसी मुख्य रूप से इस तरह के आर्कटिक और अंटार्कटिक महासागरों, ओखोटस्क सागर, लाल सागर और अफ्रीकी Kivu झील10के रूप में उच्च अक्षांश महासागरों और कुछ आंतरिक नमक झीलों, में होता है । आर्कटिक महासागर में, वहां बेसिन चौड़ा और लगातार ऊपरी और गहरी महासागरों में डीसी सीढ़ियां मौजूद11,12। यह ऊपरी महासागर में मिश्रण diapycnal पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है और काफी बर्फ पिघलने, जो हाल ही में समुद्र विज्ञान समुदाय13में अधिक से अधिक हितों को प्रभावित कर सकते हैं ।

डीसी सीढ़ी संरचना पहले आर्कटिक महासागर में १९६९14में पता चला था । उसके बाद पदमन एंड डिलन15, Timmermans एट अल. 11, Sirevaag एंड Fer16, झोउ एंड लू12, Guthrie एट अल. 17, Bebieva एंड Timmermans18, और Shibley एट अल. 19 आर्कटिक महासागर के विभिन्न घाटियों में डीसी सीढ़ियां मापा, संवहनी परत और इंटरफेस के ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज तराजू सहित, सीढ़ी की गहराई और कुल मोटाई, ऊर्ध्वाधर गर्मी हस्तांतरण, डीसी प्रक्रियाओं में mesoscale एड़ी और सीढ़ी संरचनाओं के लौकिक और स्थानिक परिवर्तन । Schmid एट अल. 20 और Sommer एट अल. 21 Kivu झील में एक microstructure profiler का उपयोग करके डीसी सीढ़ियां मनाया । वे मुख्य संरचना सुविधाओं और डीसी की गर्मी प्रवाह की सूचना दी और मौजूदा पैरामीट्रिक सूत्र के साथ मापा गर्मी प्रवाह की तुलना में । कंप्यूटर प्रसंस्करण गति में सुधार के साथ, डीसी के संख्यात्मक सिमुलेशन हाल ही में किया गया है, उदाहरण के लिए, इंटरफेस संरचना और अस्थिरता की जांच करने के लिए, इंटरफेस के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण, परत विलय घटना, और इसलिए22पर, 23 , 24.

क्षेत्र अवलोकन बहुत oceanographers के लिए महासागर डीसी की समझ को बढ़ाया है, लेकिन माप दृढ़ता से अस्पष्ट ओशियानिक प्रवाह वातावरण और उपकरणों द्वारा सीमित है । उदाहरण के लिए, डीसी अंतरफलक एक अत्यंत छोटे ऊर्ध्वाधर पैमाने पर है, कुछ झीलों और महासागरों25में ०.१ मीटर से पतले, और कुछ विशेष उच्च संकल्प उपकरणों की जरूरत है । प्रयोगशाला प्रयोग डीसी के मौलिक गतिशील और ऊष्मा कानूनों की खोज में अपने अद्वितीय लाभ से पता चलता है । एक प्रयोगशाला प्रयोग के साथ, एक डीसी सीढ़ी के विकास का निरीक्षण कर सकते हैं, तापमान और लवणता को मापने, और ओशियानिक अनुप्रयोगों के लिए कुछ parameterizations का प्रस्ताव26,27। इसके अलावा, एक प्रयोगशाला प्रयोग में, नियंत्रित मापदंडों और शर्तों को आसानी से आवश्यक के रूप में समायोजित कर रहे हैं । उदाहरण के लिए, टर्नर पहले १९६५ में प्रयोगशाला में डीसी सीढ़ी अनुकरणीय और प्रसार अंतरफलक है, जो अक्सर अद्यतन किया गया था और बड़े पैमाने पर में प्रयोग किया जाता है एक गर्मी हस्तांतरण parameterization में सीटू ओशियानिक प्रेक्षणों में 28 .

इस पत्र में, एक विस्तृत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल डीसी सीढ़ी के विकास की प्रक्रिया का अनुकरण करने के लिए वर्णित है, पीढ़ी, विकास और गायब सहित, नीचे से गर्म स्तरीकृत खारा पानी में । तापमान और लवणता को माइक्रो स्केल यंत्र से मापा जाता है साथ ही डीसी सीढ़ियां shadowgraph तकनीक से निगरानी की जा रही है । प्रयोगात्मक सेटअप, विकास प्रक्रिया, डेटा विश्लेषण, और परिणामों की चर्चा विस्तार से वर्णित हैं । प्रारंभिक और सीमा की स्थिति में फेरबदल करके, वर्तमान प्रयोगात्मक सेटअप और विधि अन्य ओशियानिक घटनाएं अनुकरण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता, जैसे कि ओशियानिक क्षैतिज संवहन, गहरे समुद्र जलतापीय विस्फोट, सतह मिश्रित परत गहरा, के प्रभाव महासागर संचलन पर पनडुब्बी geothermal, और इतने पर ।

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Protocol

1. वर्किंग टैंक

नोट: प्रयोग एक आयताकार टैंक में किया जाता है । टैंक ऊपर और नीचे प्लेटें और एक तरफ की दीवार शामिल हैं । ऊपर और नीचे प्लेटें तांबे के electroplated सतहों के साथ बना रहे हैं । ऊपर की थाली के भीतर एक पानी का चैंबर है । एक इलेक्ट्रिक हीटिंग पैड नीचे थाली में डाला जाता है । साइड की दीवार पारदर्शी Plexiglas से बनी है । टैंक का आकार एलx = २५७ मिमी (लंबाई), एलवाई = ६५ मिमी (चौड़ाई) और एलजेड = २५७ मिमी (ऊंचाई) है । sidewall की मोटाई ९.५ मिमी है ।

  1. तांबे की प्लेटों और Plexiglas sidewall को साफ करके पानी से आसुत करें ।
  2. टैंक पानी से तंग है कि यह सुनिश्चित करने के लिए शिकंजा के साथ इकट्ठा ।
  3. एक स्टेनलेस स्टील के समर्थन फ्रेम एक ऑप्टिकल टेबल पर (१५० mm की ऊंचाई) सेट और एक बीच में स्लैब अछूता गर्मी के साथ फ्रेम से ऊपर टैंक को ठीक, जो मेज पर काम कर रहे टैंक से गर्मी रिसाव सीमा ।
  4. प्रत्येक प्लेट में तीन thermistors (०.०१ ° c का तापमान स्थिरता) डालें और उन्हें एक डिजिटल मीटर से कनेक्ट करें । नोट इन thermistors का इस्तेमाल टॉप और बॉटम प्लेट्स के तापमान पर नजर रखने के लिए किया जाता है ।
  5. एक सूक्ष्म पैमाने चालकता और टैंक के अंदर तापमान साधन (MSCTI) प्लेस और यह एक बहु सूत्रीय डेटा अधिग्रहण (एमडीए) से कनेक्ट । MSCTI को एक मोटर चालित शुद्धता अनुवाद चरण (MPTS) में ठीक करें ।
    नोट: ध्यान रखें कि MSCTI को खड़ी करके ऊपर और नीचे ले जाया जा सकता है, ताकि काम करने वाले द्रव के तापमान और लवणता प्रोफाइल को हासिल किया जा सके । यहां, MSCTI ०.०१ ° c और 1% की लवणता स्थिरता के तापमान स्थिरता है । MPTS ०.००५ mm की स्थिति सटीकता है ।
  6. डिजिटल बहु मीटर और इस तरह के नमूना दरों, डेटा अधिग्रहण चैनलों और भंडारण रास्तों के रूप में के रूप में डेटा अधिग्रहण, के इसी सॉफ्टवेयर प्रोग्राम में पैरामीटर सेट करें । यहां, डिजिटल मीटर और १.० और १२८ हर्ट्ज, क्रमशः के रूप में बहु-क्रम डेटा अधिग्रहण के नमूने की दर निर्धारित करें ।
  7. MPTS के सॉफ्टवेयर प्रोग्राम में चलती मापदंडों सेट, प्रारंभिक स्थिति, सबसे कम और उच्चतम पदों, MSCTI की गति और त्वरण, चलती सहित. यहां, चलती गति और त्वरण के रूप में 1 मिमी/एस और ०.५ mm/एस2सेट, और नीचे की थाली के ऊपर 20 और २२० मिमी के रूप में सबसे कम और उच्चतम पदों सेट । यह एक अप-डाउन माप के लिए ४०४ s के MPTS की समय अवधि की ओर जाता है । MSCTI की आरंभिक स्थिति को निम्नतम स्थिति पर सेट करें.
  8. कमरे के तापमान लगभग लगातार 24 ° c के आसपास रखें दो उच्च शक्ति एयर कंडीशनर के साथ (३००० W के कार्य शक्ति) ।

2. ऑप्टिकल उपकरण

नोट: प्रयोग के दौरान, डीसी सीढ़ी के विकास shadowgraph तकनीक है, जो नीचे प्रक्रियाओं के साथ पूरा हो जाता है के साथ नजर रखी जाएगी

  1. (२५.७ cm x २५.७ सेमी) के टैंक के बाहर पर अनुरेखण कागज का एक टुकड़ा देते हैं ।
  2. प्रकाश स्रोत के रूप में एक संकीर्ण बीम एलईडी लैंप का प्रयोग करें । लगभग 5 मीटर दूर टैंक के दूसरी ओर से प्रकाश स्रोत रखें, ताकि एक लगभग collimated प्रकाश उत्पंन किया जा सकता है । ध्यान दें कि प्रयोग के दौरान डीसी स्तरित द्रव संरचना क्योंकि घनत्व परिवर्तन की अनुरेखण कागज पर प्रबुद्ध है (अपवर्तन के सूचकांक के परिवर्तन के लिए इसी) द्रव की ।
  3. अनुरेखण कागज के एक ही पक्ष पर एक उच्च गति camcorder प्लेस । यह टैंक से लगभग 1 मीटर दूर है ताकि पूर्ण आकार के टैंक के साथ लेयर्ड संरचनाओं को रिकॉर्ड किया जा सके ।
  4. camcorder की नमूना दर निर्धारित करें । ध्यान दें कि नमूना दर सीढ़ी विकास के विस्तार पर कब्जा करने के लिए उचित होना चाहिए । यहां, camcorder की नमूना दर 25 हर्ट्ज है ।
  5. दीपक और camcorder पर बारी है, और थोड़ा उनकी औषधि और दूरी को समायोजित करने के लिए सुनिश्चित करें कि स्पष्ट छवियों camcorder द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है ।

3. कार्य द्रव

  1. खारा और ताजे पानी को दो टैंकों में तैयार करें ।
    1. दो समान आयताकार टैंक (टैंक ए और टैंक बी) एक लचीला ट्यूब द्वारा (लंबाई में 10 सेमी, भीतरी व्यास में 6 मिमी और बाहरी व्यास में 10 मिमी) हर एक के नीचे से शामिल हों ।
    2. खारा पानी के साथ एक टैंक भरें, नमक की अपनी जन एकाग्रता (यानी, लवणता) इस उदाहरण में ६० ग्राम/
    3. de-मार डाला ताजा पानी की एक बराबर मात्रा के साथ टैंक बी भरें, और लगातार तरल पदार्थ homogenize करने के लिए एक बिजली के चुंबकीय सरगर्मी का उपयोग करें ।
    4. कमरे के तापमान (24 डिग्री सेल्सियस) के रूप में दोनों टैंकों के भीतर प्रारंभिक द्रव तापमान रखें ।
  2. काम कर रहे टैंक में रैखिक घनत्व स्तरीकरण की स्थापना ।
    1. काम कर रहे टैंक में खारा पानी की एक प्रारंभिक रेखीय स्तरीकरण स्थापित करने के लिए डबल-टैंक विधि29 का उपयोग करें ।
    2. एक ही ऊंचाई पर टैंक ए और बी लगाएं, जो कि वर्किंग टैंक से 30 सेमी अधिक है । टैंक बी और एक और लचीला ट्यूब के साथ काम कर रहे टैंक में शामिल हों (लंबाई में ५० सेमी, भीतरी व्यास में 2 मिमी और बाहरी व्यास में 5 मिमी) उनके नीचे से । इन दोनों टैंकों में द्रव दाब के अंतर के कारण टैंक बी में तरल पदार्थ को वर्किंग टैंक में धीरे से इंजेक्ट किया जा सकता है ।
    3. ०.४५ मिलीलीटर पर एक सिकुड़नेवाला पंप के साथ प्रवाह की गति को नियंत्रित करें/वर्किंग टैंक के लिए पानी भरने की पूरे समय की जानकारी लगभग 3 ज है । वर्किंग टैंक के नीचे स्थित लवणता की गणना29 को
      Equation 11
      जहां एसए, वी और वी0 टैंक एक, काम कर रहे टैंक के अंतिम द्रव की मात्रा और टैंक एक (या बी) के प्रारंभिक द्रव मात्रा, क्रमशः के लवणता हैं । नीचे एसबी और शीर्ष पर ताजा पानी में लवणता का उपयोग करना, प्रारंभिक स्तरीकरण N0 के उछाल आवृत्ति है
      Equation 22
      जहां g गुरुत्वाकर्षण त्वरण है, दर्षाया0 संदर्भ घनत्व है और β लवणता संकुचन गुणांक है । नोट N0 इस उदाहरण में १.१४ रेड/s के रूप में परिकलित की जाती है ।

4. प्रयोग चल रहा है

  1. कार्यशील टैंक के लिए सीमा शर्तें सेट करें ।
    1. आठ समान रूप से वितरित प्लास्टिक नरम ट्यूबों (लंबाई में १५० सेमी, भीतरी व्यास में 10 मिमी और बाहरी व्यास में 15 मिमी) के साथ एक प्रशीतित परिचालित करने के लिए शीर्ष प्लेट के पानी के चैंबर से कनेक्ट करें । ध्यान दें कि शीर्ष प्लेट का तापमान प्रशीतित परिचालित के तापमान पर निर्भर करता है । कमरे के तापमान (24 डिग्री सेल्सियस) के समान होने के लिए शीर्ष प्लेट का तापमान सेट करें ।
    2. एक प्रत्यक्ष वर्तमान आपूर्ति के लिए नीचे प्लेट के अंदर बिजली के हीटिंग पैड कनेक्ट । नोट एक निरंतर गर्मी प्रवाह काम तरल पदार्थ के लिए इस प्रयोग के दौरान प्रदान की जाती है, जो के रूप में गणना की है
      Equation 33
      जहां यू, आर, और एक आपूर्ति की वोल्टेज, बिजली के प्रतिरोध और प्रभावी क्षेत्र के विद्युत हीटिंग पैड, क्रमशः कर रहे हैं । इस उदाहरण में, प्रतिरोध और प्रभावी क्षेत्र है ४४.१२ ओम और 1.89 × 10-2 एम2। ६० V के रूप में आपूर्ति की वोल्टेज सेट करें, ताकि कुल हीट फ्लक्स Fh ४३१७ W/
  2. camcorder पर बारी करने के लिए प्रवाह पैटर्न रिकॉर्ड ।
  3. ऊपर और नीचे की प्लेटों के तापमान और MSCTI का उपयोग कर द्रव के तापमान और लवणता की निगरानी करने के लिए डिजिटल मीटर, बहु-डेटा अधिग्रहण को चालू करें ।
  4. MSCTI को ऊपर और नीचे ले जाने के लिए MPTS को चालू करें ताकि तापमान और काम करने वाले द्रव के लवणता प्रोफाइल को हासिल कर सके ।
  5. काम करने वाले द्रव की ऊपरी और निचली सीमा की स्थिति को प्राप्त करने के लिए प्रशीतित परिचालित और प्रत्यक्ष-वर्तमान आपूर्ति को चालू करें ।
    नोट: ध्यान दें कि पूरे प्रयोग के उत्पादन, विकास, mergence, और डीसी सीढ़ी के गायब होने का अनुभव होगा, और यह लगभग 5 घंटे तक चलेगा । सभी डीसी सीढ़ियां के गायब होने के बाद, बारी में प्रत्यक्ष-वर्तमान आपूर्ति, प्रशीतित परिचालित, MPTS, डिजिटल मीटर, बहु-डेटा अधिग्रहण, और camcorder बंद करें ।

5. डाटा प्रोसेसिंग

  1. Shadowgraph इमेज
    1. एक Matlab कार्यक्रम का प्रयोग करने के लिए आगे विश्लेषण के लिए लगातार छवियों को camcorder द्वारा दर्ज वीडियो परिवर्तित । इन छवियों दर्जी टैंक के भीतर प्रवाह पैटर्न दबाव का चिह्न है । डिजिटल छवि तीव्रता सेट के रूप में मैं (x, z), जहां (x, z) का अर्थ है क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर नीचे-छवि के बाएं कोने पर मूल के साथ निर्देशांक । नोट मैं (x, z) २५६ के धूसर स्तर के साथ (0, 1) पर निर्भर है । 30 के रूप में एक पृष्ठभूमि छवि द्वारा प्रत्येक छवि को सामान्य
      Equation 44
      जहां Equation 5 10 ठंडा और हीटिंग से पहले लिया छवियों पर औसत छवि तीव्रता है लागू किया जा रहा Equation 6 है, मैंगु छवि की तीव्रता को नोट । इस तरह, छवियों में स्थिर दोषों को दूर किया जा सकता है । आदेश में डीसी पैटर्न के लौकिक विकास की जांच करने के लिए, प्रत्येक छवि को एक एकल ऊर्ध्वाधर तीव्रता अस्थिरता प्रोफ़ाइल Equation 7 में परिवर्तित किया जा सकता है, छवि तीव्रता अस्थिरता (यानी, रूट-मतलब-तीव्रता के वर्ग) की गणना के साथ क्षैतिज दिशा Equation 7 । डीसी सीढ़ियां के विकास को Equation 7 दिखाने के लिए समय बढ़ाने के साथ साथ लगातार छवियों के तीव्रता उतारने प्रोफाइल प्लाट ।
  2. तापमान और लवणता प्रोफाइल
    1. नोट इस प्रयोग में तापमान और काम तरल पदार्थ के लवणता के ऊर्ध्वाधर प्रोफाइल अप-डाउन चलती MSCTI द्वारा मापा जाता है । लौकिक ऊंचाई, एच (टी) की गणना, MSCTI के साथ की गति डब्ल्यू, टाइम टी, शुरू समय टी0 (सबसे कम स्थिति के लिए इसी), सबसे कम स्थिति एचएल और उच्चतम स्थिति एचएच, के रूप में
      Equation 85
      MSCTI Equation 9 गतिमान अवधि निम्नतम (उच्चतम) से उच्चतम (निम्नतम) स्थिति में कहाँ है, एन और δ क्रमशः अभिन्न और भिन्ना भाग हैं. तो लौकिक ऊंचाई एच (टी) के रूप में गणना
      Equation 106
      नोट समीकरण में (6), n भी है, तो MSCTI ऊपर जा रहा है; अन्यथा MSCTI नीचे की ओर बढ़ रहा है । समय श्रृंखला तापमान टी (टी) और लवणता एस (टी) ऊंचाई एच (टी) के मामले में ऊर्ध्वाधर तापमान और लवणता प्रोफाइल पाने के लिए प्लाट ।

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Representative Results

चित्रा 1 प्रयोगात्मक सेटअप की योजनाबद्ध दिखाता है । प्रोटोकॉल में इसके घटकों का वर्णन किया गया है । मुख्य भागों चित्रा 1a में दिखाया गया है और विस्तृत काम कर रहे टैंक चित्रा 1bमें दिखाया गया है । चित्रा 2 नीचे (टीबी, लाल वक्र) और शीर्ष (टीटी, काले वक्र) प्लेटों में तापमान परिवर्तन से पता चलता है । यह संकेत दिया है कि दो प्लेटों के तापमान लगभग कमरे के तापमान (24 डिग्री सेल्सियस) के रूप में शुरू में ही कर रहे हैं । टी = ६४१ एस में, ऊपर ठंडा और नीचे हीटिंग लागू कर रहे हैं । फिर, टीबी के लिए तेजी से वृद्धि शुरू होता है, 24 ° c से ५७ ° c, जबकि टीटी लगभग स्थिर है जब तक समय ७६८३ s तक पहुंचता है । इस समय सीमा के दौरान, यह उम्मीद है कि हीटिंग ऊपर की ओर तरल पदार्थ के लिए स्थानांतरित किया जाता है, लेकिन शीर्ष प्लेट तक पहुँच नहीं है । लगभग टी = ८००० एस में, टीबी अपनी अधिकतम, ५७ डिग्री सेल्सियस, और टी टी प्राप्त करने के लिए धीरे से वृद्धि शुरू होता है, जो तात्पर्य है कि नीचे हीटिंग ऊपर थाली तक पहुंचता है । तब से पूरी टंकी पूरी तरह से डीसी सीढ़ी संरचनाओं से भरी हुई है । इसके बाद नीचे की प्लेट के तापमान में कमी आनी शुरू हो जाती है और टॉप-प्लेट तापमान में वृद्धि जारी रहती है । लगभग टी = १४८०० एस, दोनों टीबी और टी टी अचानक, जो टैंक के भीतर पिछले अंतरफलक के गायब होने के लिए संगत बदल जाते हैं । इसके बाद, दोनों टीबी और टी टी लगातार मूल्यों के दृष्टिकोण, जहां पूरे स्थिर प्रवाह राज्य के रेले से संबंधित है – Bénard संवहन26.

चित्रा 3 ए तात्कालिक shadowgraph टी = ३३७५ एस में लिया छवि से पता चलता है । तीन इंटरफेस और टैंक में तीन संवहन परतों रहे हैं । संवहनी परत में, तरल घनत्व सजातीय है, जबकि अंतरफलक में, बड़े घनत्व (या अपवर्तन के सूचकांक) ढाल मौजूद है, जो मजबूत प्रकाश तीव्रता अस्थिरता पैदा करता है । चित्र के लिए, जहां चोटियों की स्थिति Equation 7 इंटरफेस के उन लोगों के Equation 7 लिए संगत कर रहे है की तीव्रता उतार-चढ़ाव प्रोफ़ाइल दिखाता है । चित्रा 3 सी समय Equation 7 के एक समारोह के Equation 7 रूप में shadowgraph छवि की तीव्रता अस्थिरता प्रोफ़ाइल से पता चलता है । यह प्रयोग में डीसी सीढ़ी के लौकिक विकास प्रदर्शित करता है, गतिशील प्रक्रियाओं के साथ साथ, परत पीढ़ी, विकास अर्थात् , और गायब । एक बार प्रणाली गर्म है, प्रणाली के नीचे से एक संवहनी परत रूपों और और अधिक मोटा होना । एक तेज इंटरफेस संवहनी परत और ऊपर स्थिर द्रव के बीच निहित है । जब नीचे संवहन परत एक निश्चित मोटाई, अंतरफलक के ऊपर एक नया संवहन परत रूपों तक पहुंचता है । इस बीच, संवहन परतों और इंटरफेस ऊपर की ओर पलायन । इसी तरह की प्रक्रिया ऊपरवाला अंतरफलक के ऊपर एक नया संवहन परत रूपों तक जारी है । विकास की प्रक्रिया में, दो आसंन परतों विलय हो सकता है, या एक परत एक दूसरे से घिस गया है । के बारे में टी = ८००० एस, पूरे टैंक सात संवहन परतों के कब्जे में है । इसके बाद, परत विलय ही प्रक्रिया है और परतों की संख्या को धीरे से कम कर देता है । लगभग t = १४८०० s पर, केवल एक ही संवहन रोल पिछले इंटरफेस गायब हो जाता है के बाद पूरे टैंक में मौजूद है, और संवहनी प्रवाह राज्य के दृष्टिकोण एक स्थिर रेले – Bénard संवहन. चित्रा 2 और चित्रा 3सी में दिखाया गया है, ऊपर और नीचे प्लेटों के तापमान विचरण सीढ़ियां के गतिशील परिवर्तन करने के लिए इसी हैं । दर्ज तापमान और लवणता प्रोफाइल चित्रा 4में दिखाया गया है । ध्यान दें कि तापमान और लवणता प्रोफाइल लगातार १.५ डिग्री सेल्सियस से स्थानांतरित कर रहे हैं, और ३.० जी/ दो पड़ोसी प्रोफाइल के बीच समय अंतराल ४०४ एस है । इस आंकड़े में, इन प्रोफाइल स्पष्ट रूप से सीढ़ी संरचनाओं के गतिशीलता परिवर्तन दर्शाते हैं । सीढ़ियां के पैटर्न परतों और shadowgraph मापन (चित्रा 3सी) में दर्ज इंटरफेस के साथ इसी कर रहे हैं ।

Figure 1
चित्र 1. प्रयोगात्मक सेटअप के प्रायोगिक सेटअप (क) मुख्य घटक भागों की योजनाबद्ध । (ख) वर्किंग टैंक का सेटअप । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2. नीचे (लाल वक्र) और प्रयोग के दौरान शीर्ष (काला वक्र) प्लेट में तापमान में परिवर्तन । धूसर वक्र वातावरण तापमान को नोट । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3. तात्कालिक shadowgraph छवि और बाद प्रसंस्करण (ए) टी = 3375 एस में shadowgraph छवि, (ख) जेड दिशा के साथ तीव्रता अस्थिरता, Equation 7 , चित्र 3ए में छवि तीव्रता का, (ग) रंग छायांकन के साथ डीसी पैटर्न के लौकिक विकास दिखा Equation 7. सफ़ेद डैश्ड रेखा चित्रमें दिखाए गए प्रोफ़ाइल से मेल खाती है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4. क्रमिक डीसी विकास प्रोफाइल । Top: तापमान प्रोफाइल, नीचे: लवणता प्रोफाइल । १.५ ° c द्वारा तापमान की वृद्धि, और पड़ोसी प्रोफाइल के बीच 3.0 g/kg द्वारा लवणता लागू कर रहे हैं । दो पड़ोसी प्रोफाइल के बीच समय अंतराल ४०४ एस है कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस पत्र में एक विस्तृत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल एक आयताकार टैंक में thermohaline डीसी सीढ़ी संरचनाओं अनुकरण करने के लिए वर्णित है । एक प्रारंभिक रैखिक घनत्व स्तरीकरण काम कर द्रव का निर्माण किया है दो टैंक विधि का उपयोग कर । शीर्ष प्लेट एक निरंतर तापमान पर रखा जाता है और लगातार गर्मी प्रवाह में नीचे एक । अपनी पीढ़ी, विकास, mergence, और गायब सहित डीसी सीढ़ी की पूरी विकास प्रक्रिया, shadowgraph तकनीक के साथ कल्पना कर रहे हैं, और तापमान और लवणता के विचरण एक उच्च सटीकता की जांच द्वारा दर्ज की गई हैं । इन माप के साथ, एक ही नहीं गुणात्मक के परिवर्तन का निरीक्षण कर सकते है सीढ़ी, लेकिन यह भी मात्रात्मक तापमान, लवणता, और घनत्व के परिवर्तन का विश्लेषण । इसके अलावा, परत मोटाई और गर्मी प्रवाह के विचरण सीटू ओशियानिक आवेदन26,27 में के लिए पैरामीटर किया जा सकता है । कुछ प्रतिनिधि प्रयोगात्मक परिणाम दिखाया और आंकड़ों के साथ चर्चा कर रहे हैं ।

चरण ३.२ में, टैंक A, टैंक B और कार्यशील टैंक कार्य टैंक के लिए प्रारंभिक रेखीय घनत्व स्तरीकरण की स्थापना के दौरान कनेक्टेड हैं । जुड़े जहाजों के कानून से, टैंक में द्रव एक स्वचालित रूप से टैंक बी में बहती है, और टैंक बी से प्रवाह की दर काम टैंक में ठीक दो बार है कि टैंक बी, जो एक ऊर्ध्वाधर रैखिक घनत्व में परिणाम कर सकते है में से एक है राजा द्रव29. चरण ५.१ में, प्रत्येक इंटरफ़ेस की स्थिति प्रोफ़ाइल Equation 7 की स्थानीय अधिकतम तीव्रता अस्थिरता के आधार पर पहचाना जा सका; ऐसा इसलिए है क्योंकि वहां मजबूत प्रकाश तीव्रता उतार चढ़ाव डीसी इंटरफेस के पदों पर हैं ।

साहित्य में पिछले डीसी प्रयोगों के साथ तुलना में, वर्तमान सेटअप और विधि तापमान और लवणता प्रोफाइल उपाय और तुल्यकालिक पैटर्न छवियों रिकॉर्ड कर सकते हैं । लौकिक और स्थानिक संकल्प काफी उच्च पतली इंटरफेस के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अंय ठीक अशांत संरचनाओं पर कब्जा कर रहे हैं । इस विधि की मुख्य सीमा है कि अंदर और बाहर काम कर रहे टैंक के बीच गर्मी विनिमय दर्ज नहीं किया गया है, जो आगे अगर सही ऊर्ध्वाधर गर्मी प्रवाह मापा जा करने की आवश्यकता में सुधार किया जाएगा ।

यह कहना है कि इस प्रयोग प्रारंभिक घनत्व स्तरीकरण और सीमा की स्थिति में आसानी से अलग प्रयोजनों के लिए आवश्यक के रूप में नियंत्रित किया जा सकता है लायक है । कुछ जटिल काम शर्तों को भी थोड़ा समायोजन के साथ प्राप्त किया जा सकता है, उदाहरण के लिए रेखीय स्तरीकरण टैंक से एक टैंक बी के लिए प्रवाह दरों के अनुपात को नियमन द्वारा निर्माण किया जा सकता है और कि टैंक बी से दो में काम कर टैंक के लिए टैंक तरीके29 . इसलिए, यह अपेक्षित है कि वर्तमान प्रायोगिक सेटअप और विधि कुछ अंय ओशियानिक घटनाएं अनुकरण करने के लिए लागू किया जा सकता है, जैसे कि ओशियानिक क्षैतिज संवहन, गहरे समुद्र जलतापीय विस्फोट, सतह मिश्रित परत गहरा, और के प्रभाव महासागर संचलन पर पनडुब्बी geothermal, और इतने पर ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस कार्य के लिए चीनी NSF अनुदान (४१७०६०३३, ९१७५२१०८ और ४१४७६१६७), Grangdong NSF अनुदान (2017A030313242 और 2016A030311042) और LTO अनुदान (LTOZZ1801) का समर्थन किया गया.

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

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References

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पर्यावरण विज्ञान मुद्दा १३९ स्तरीकृत द्रव प्रसार संवहन सीढ़ी संरचना Shadowgraph तकनीक संवहन परत इंटरफेस
प्रसार संवहन में सीढ़ी संरचनाओं का विकास
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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).

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