Waiting
Login processing...

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

Environment

Эволюция структур лестница в диффузионном конвекции

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

Диффузионное конвекции (DC) широко встречается в природных процессов и инженерных приложений, характеризуется серия лестницы с однородной convecting слои и стратифицированной интерфейсов. Экспериментальная процедура описана для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая создание, развитие и исчезновения, в прямоугольный бак.

Abstract

Диффузионное конвекции (DC) происходит, когда вертикальной стратифицированной плотность находится под контролем двух противоположных скалярных градиенты, которые имеют явно различных молекулярных diffusivities, и Градиенты скалярный большего и меньшего температуропроводности имеют положительные и отрицательные взносы для распределения плотности, соответственно. DC происходит во многих природных процессов и инженерных приложений, например, океанографии, астрофизики и металлургии. В океанах один из самых замечательных особенностей DC является вертикальные профили температуры и солености лестница как структура, состоящая из последовательных шагов с густой однородной convecting слои и сравнительно тонкий и высокой градиент интерфейсов. DC лестницы были отмечены многие океанов, особенно в Арктике и Антарктике океанов и играть важную роль в циркуляции вод океана и изменения климата. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов. Процесс DC имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на поверхностного таяния льда. По сравнению с ограничениями полевых наблюдений, лабораторный эксперимент показывает свое уникальное преимущество для эффективного изучения динамических и термодинамических процессов в DC, потому что строго регулируется граничных условий и контролируемых параметров. Здесь подробный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая его поколения, развития и исчезновения, в прямоугольный бак стратифицированной соленой водой. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов.

Introduction

Двухместный диффузионное конвекции (DDC) является одним из наиболее важных процессов, вертикального перемешивания. Это происходит, когда вертикальной плотности распределения столбце стратифицированной воды контролируется два или более Градиенты скалярный компоненты противоположных направлений, где компоненты имеют совершенно разные молекулярной diffusivities1. Он широко встречается в океанографии2, атмосферу3, геологии4, астрофизика5, материальная наука6, металлургии7и архитектурных инженерных8. DDC присутствует почти в половине из мирового океана, и он имеет существенное влияние на океанические процессы многомасштабной и даже климатические изменения9.

Существует два основных режима для DDC: соль палец (SF) и диффузионного конвекции (DC). SF возникает, когда теплой соленой воде массы перекрывает кулер, свежей воды в стратифицированном окружающей среды. Когда тепло и соленой воде лежит ниже чистой, холодной воды, образуют DC. Замечательной особенностью DC является то, что вертикальные профили температуры, солености и плотности лестница как, составленный alternant однородных convecting слои и тонкий, сильно стратифицированной интерфейсов. DC в основном происходит в высокоширотных океанах и некоторых внутренних соленых озер, таких как Арктики и Антарктики океанов, Охотского моря, Красного моря и Африканского озеро Киву10. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов11,12. Он имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на-таяния льда, который недавно вызывает все больше и больше интересов в океанографии сообщества13.

Структура лестница DC был впервые обнаружен в Северном Ледовитом океане в 1969 году14. После этого, Падман и Диллон15Тиммерманс и др. 11, Sirevaag & Fer16, Чжоу и Лу12, Гатри и др. 17, Bebieva и Тиммерманс18и Шибли и др. 19 измеряется DC лестницы в различных бассейнах Ледовитого океана, включая вертикальных и горизонтальных шкал convecting слоя и интерфейс, глубина и общая толщина лестницы, вертикальной теплообмен, DC процессов в мезомасштабные вихревые и временных и пространственных изменений структуры лестница. Шмид и др. 20 и Sommer и др. 21 наблюдается DC лестницы с помощью профилировщика микроструктуры в озере Киву. Они сообщили основная структура функций и потоков тепла DC и сравнении потоков измеренного тепла с существующие параметрические формулой. С компьютерной обработки улучшение скорости численное моделирование DC недавно было сделано, например, для изучения интерфейс структура и нестабильности, передача тепла через интерфейс, слой слияния событий и так далее22, 23 , 24.

Поля наблюдений позволило значительно расширить понимание океана DC для океанографов, но измерения сильно ограничены неопределенного океанических потока сред и инструментов. Например интерфейс DC имеет крайне небольшой вертикальный масштаб, тоньше, чем 0,1 м в некоторых озерах и океанов25, и необходимы некоторые специальные инструменты высокого разрешения. Лабораторный эксперимент показывает свои уникальные преимущества в изучении основных динамических и термодинамических законы постоянного тока. С лаборатории эксперимента можно наблюдать эволюцию DC лестницы, измерить температуру и соленость и предложить некоторые параметризации для океанических приложений26,27. Кроме того, в лаборатории эксперимента, контролируемые параметры и условия легко корректируются по мере необходимости. К примеру Тёрнер сначала моделируется DC лестница в лаборатории в 1965 году и предложил параметризации передачи тепла через диффузионное интерфейс, который был часто обновляется и широко используются в в situ океанических наблюдений28 .

В этом документе подробный экспериментальный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестницы, включая поколения, развития и исчезновения, в стратифицированном соленой воды, нагревают снизу. Температура и соленость измеряются инструмента микро масштабе, а также DC лестницы, отслеживаемых с помощью метода shadowgraph. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов. Изменяя первоначальный и граничных условий, нынешней экспериментальной установки и метод может использоваться для моделирования других океанических явлений, таких как океанические горизонтальных конвекции, глубоководных гидротермальных извержения, углубление поверхности перемешанный слой, эффект подводная лодка геотермальных на циркуляции в океане и так далее.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Рабочая танк

Примечание: Эксперимент осуществляется в прямоугольный бак. Танк включает верхнюю и нижнюю пластины и боковой стенки. Верхней и нижней пластины изготовлены из меди с гальваническим покрытием. Существует воды камеры в верхней пластины. Электрическая грелка вставляется в нижней плиты. Боковой стенке выполнен из прозрачной оргстекла. Размер бака-Lx = 257 мм (длина), Ly = 65 мм (ширина) и Lz = 257 мм (высота). Толщина обечайки-9,5 мм.

  1. Очистите медных пластин и боковины оргстекло тщательно с дистиллированной водой.
  2. Соберите танк с помощью винтов, чтобы обеспечить, что цистерна герметична воды.
  3. Установить несущую рамку из нержавеющей стали (высота 150 мм) на таблицы оптики и исправить танк выше кадр с теплоизоляционные плиты в период, который ограничивает утечка тепла из бака рабочую таблицу.
  4. Вставьте три термисторы (постоянство температуры 0,01 ° C) в каждой пластины и подключить их к цифровой мультиметр. Обратите внимание, что эти термисторы используются для контроля за температурами верхней и нижней плиты.
  5. Поместите микро-масштабе проводимости и температуры инструмента (MSCTI) внутри бака и подключить его к категории Многофункциональные приобретение данных (MDA). Исправьте MSCTI стадии моторизованных точность перевода (MPTS).
    Примечание: Обратите внимание, что MSCTI могут быть перемещены вверх и вниз на движущемся вертикально, чтобы достичь профилей температуры и солености рабочей жидкости. Здесь MSCTI имеет стабильность температуры 0,01 ° C и солености стабильности 1%. MPTS имеет точность позиционирования 0,005 мм.
  6. Установите параметры в соответствующие программы программного обеспечения цифровой мультиметр и категории Многофункциональные сбора данных, таких как дискретизации, каналы приобретения данных и хранения пути. Здесь установите частоту выборки цифровой мультиметр и сбора данных категории Многофункциональные 1.0 и 128 Гц, соответственно.
  7. Перемещение параметров в программе из MPTS, включая начальное положение, низкие и высокие позиции, перемещая скорость и ускорение, MSCTI. Здесь, установите скорость перемещения и ускорение 1 мм/сек и 0.5 мм/s2и установите низкие и высокие позиции как 20 и 220 мм выше нижней плиты. Это приводит к временной период MPTS 404 s для измерения вверх вниз. Задайте начальное положение MSCTI в самом нижнем положении.
  8. Держите комнатной температуре почти постоянной около 24 ° C с двух мощных кондиционеров (Рабочая мощность 3000 Вт).

2. оптические приборы

Примечание: Во время эксперимента, эволюция DC лестница будет контролироваться с shadowgraph техникой, которая выполняется с ниже процедуры

  1. Прикрепите кусок кальку (25,7 x 25,7 см) на внешней стороне бака.
  2. Используйте Светодиодные лампы узкого луча как источника света. Место источник света около 5 м от другой стороне бака, так что почти коллимированных свет может быть создан. Обратите внимание, что в ходе эксперимента DC слоистых жидкости структуры горит на кальку из-за изменения плотности (соответствующие изменения преломления) жидкости.
  3. Место Высокоскоростные видеокамеры на той же стороне кальку. Это около 1 м от танка, так, что слоистых структурах с полноразмерных танк может быть записан.
  4. Задайте частоту выборки видеокамеры. Обратите внимание, что частота выборки должны быть надлежащим захватить деталь лестницы эволюций. Дискретизации видеокамера вот 25 Гц.
  5. Включите лампу и видеокамера и слегка скорректировать свои зелья и расстояния, обеспечить четкие изображения может быть захвачен видеокамеру.

3. рабочей жидкости

  1. Подготовьте соленой и пресной воды в двух стальных резервуарах.
    1. Присоединиться к два одинаковых прямоугольных танков (танк A и танк B), гибкой трубки (10 см в длину, внутренний диаметр 6 мм и внешним диаметром 10 мм) от дна каждого из них.
    2. Заполнить бак A с соленой водой, его Массовая концентрация соли (то есть, соленость) — 60 г/кг в этом примере.
    3. Заполнить бак B с равным объемом де газированные пресной воды и использовать электрические магнитной мешалкой, чтобы непрерывно однородности жидкости.
    4. Держите начальная температура жидкости в пределах обоих танков так же, как температура в помещении (24 ° C).
  2. Создание стратификации линейной плотности в рабочей емкости.
    1. Используйте метод двойной танк29 установить первоначальный линейной стратификации соленой воды в баке рабочих.
    2. Место на той же высоте, которая составляет 30 см выше, чем бак рабочей танк A и B. Присоединяйтесь к танк B и рабочие танк с другой гибкой трубки (50 см в длину, внутренний диаметр 2 мм и внешним диаметром 5 мм) от их дно. Из-за разницы давления жидкости в этих двух танков жидкости в баке B может медленно вводят в бак рабочей.
    3. Контролировать скорость потока с Перистальтический насос на 0,45 мл/s. Обратите внимание все время вода заполнения для бак рабочей составляет около 3 ч Calculate, соленость воды в нижней части бака рабочей основе29
      Equation 1(1)
      где SA, V и V0 , соленость бака A, окончательный объем жидкости бака рабочих и первоначальный объем жидкости из бака A (или B), соответственно. Плавучесть частота первоначальных стратификации N0 является использование соленость в пресной воды в верхней и нижней SB ,
      Equation 2(2)
      где g — ускорение свободного падения,0 ρ — плотность ссылки и β-коэффициент сокращения солености. Примечание N0 рассчитывается как 1.14 rad/s в этом примере.

4. запуск эксперимента

  1. Установите граничные условия для рабочих танка.
    1. Подключение воды палата верхней пластины для охлажденных термостат с восьми равномерно распределенных пластиковые мягкие трубы (150 см в длину, 10 мм, внутренний диаметр и внешним диаметром 15 мм). Обратите внимание, что температура верхней пластины зависит от температуры охлажденного термостата. Установите температуру верхней пластины, чтобы быть таким же, как температура в помещении (24 ° C).
    2. Подключение электрической грелки внутри нижней плиты к тока питания. Представлена записка Постоянного теплового потока рабочей жидкости в ходе этого эксперимента, который рассчитывается как
      Equation 3(3)
      где U, R и A подаваемого напряжения, электрическое сопротивление и эффективная площадь электрическое отопление pad, соответственно. В этом примере, сопротивление и эффективная площадь являются 44.12 ом и 1,89 × 10-2 m2. Установите подаваемого напряжения, как 60 V, так что общей тепловой поток Fh 4317 Вт/м2.
  2. Включите камеру для записи потока шаблон.
  3. Включите цифровой мультиметр, категории Многофункциональные сбора данных для мониторинга температуры верхней и нижней пластины и температуры и солености жидкости с помощью MSCTI.
  4. Включите MPTS для перемещения вверх и вниз для достижения профили температуры и солености рабочей жидкости MSCTI.
  5. Включите охлажденных термостат и питания постоянного тока для достижения верхней и нижней граничных условий рабочей жидкости.
    Примечание: Обратите внимание, что всего эксперимента будут испытывать поколения, развития, слиянию и исчезновение DC лестницы, и это будет длиться около 5 часов. После исчезновения всех DC лестницы выключите питания постоянного тока, сверхнизкого, MPTS, цифровой мультиметр, категории Многофункциональные сбора данных и видеокамера в свою очередь.

5. обработка данных

  1. Shadowgraph изображения
    1. Используйте программу Matlab для преобразования видео, записанные видеокамера для последовательных изображений для дальнейшего анализа. Адаптировать эти образы для акцентирования картина течения внутри цистерны. Установите необходимую интенсивность цифрового изображения как I (x, z), где (x, z) обозначает горизонтальных и вертикальных координат с началом в левом нижнем углу изображения. Обратите внимание, я (x, z) варьируется (0, 1) с уровень серого цвета 256. Нормализовать каждое изображение на фоновое изображение как30
      Equation 4(4)
      где Equation 5 является интенсивность средняя изображения более 10 изображений, снятых до охлаждения и нагрева применяются, Equation 6 обозначает интенсивность яй изображение. Таким образом могут быть удалены стационарных дефекты на изображениях. Для того, чтобы изучить временной эволюции шаблон DC, каждое изображение может быть преобразован в одной вертикальной интенсивности колебаний профиль, Equation 7 , путем расчета колебаний интенсивности изображения (т.е., корень значит квадрат интенсивности) вдоль горизонтальном направлении Equation 7 . Участок профили колебания интенсивности Equation 7 последовательных изображений вместе с увеличивая время, чтобы показать эволюций DC лестницы.
  2. Профилей температуры и солености
    1. Обратите внимание в этом эксперименте вертикальных профилей температуры и солености рабочей жидкости измеряются MSCTI движущиеся вверх вниз. Рассчитать височной высоту, h(t), о MSCTI с означает перемещение скорость w, время t, начальное время t0 (соответствующий в самое низкое положение), низкие позиции hL и наивысшая позиция hH, как
      Equation 8(5)
      где Equation 9 MSCTI движется период от низкой (высокий), высокий (низкий) позиции, n и δ являются целой и дробной частей, соответственно. Затем вычислите височной высота h(t) как
      Equation 10(6)
      Примечание в уравнение (6), если n — даже, MSCTI движется вверх; в противном случае MSCTI движется вниз. Участок время серии температуры T(t) и солености S(t) с точки зрения высоты h(t) получить вертикальные профили температуры и солености.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 1 показана схема экспериментальной установки. Его компоненты описаны в протоколе. Основные части показаны на рисунке 1a и подробные рабочие танк показано на рисунок 1b. Рисунок 2 показывает изменения температуры на дне (Tb, красная кривая) и верхней (Tt, черная кривая) плиты. Она указала, что температура двух плит являются почти то же самое, как комнатной температуры (24 ° C) первоначально. При t = 641 s, топ охлаждения и нагрева дна применяются. Затем Tb начинает увеличить быстро, от 24 ° C до 57 ° C, в то время как Tt почти неизменным до тех пор, пока время достигает 7683 s. В течение этого интервала ожидается, что топление вверх переходит в жидкость, но не достиг верхней пластины. На приблизительно t = 8000 s, Tb достигает своей максимальной, 57 ° C, и Tt начинает увеличиваться постепенно, которое подразумевает, что нагрева дна достигает верхней пластины. С этого момента весь бак полностью полна структурах DC лестница. Затем-днище температура начинает падать и топ плита температура продолжает увеличиваться. На приблизительно t = 14800 s, Tb и Tt изменить внезапно, который соответствует к исчезновению последнего интерфейса внутри цистерны. Впоследствии Tb и Tt подход постоянные значения, где весь устойчивый поток государство принадлежит конвекции Рэлея-коротковолновых26.

На рисунке 3a показывает изображение мгновенно shadowgraph, принятым на t = 3375 s. Существует три интерфейсов и трех слоев convecting в баке. В convecting слое плотность жидкости является однородным, в то время как в интерфейс, большой плотности (или преломления) существует градиент, который производит колебания сильной интенсивности света. Рисунок 3b показывает интенсивность колебаний профиль Equation 7 , где позиции Equation 7 вершины соответствуют тем из интерфейсов. Рисунок 3 c показывает профиль колебания интенсивности Equation 7 shadowgraph изображения как функцию от времени Equation 7 . Оно exhibits временная эволюция DC лестница в эксперименте, сопровождается динамических процессов, т.е. слой поколения, развития и исчезновения. Как только нагревается системы, convecting слой формы и постепенно утолщается из нижней части системы. Резкое интерфейса лежит между convecting слой и выше статической жидкости. Когда дно convecting слой достигает определенной толщины, новые формы convecting слой над интерфейсом. Между тем convecting слои и интерфейсов перенести вверх. Аналогичный процесс продолжается до тех пор, пока новый convecting слой образует выше верхняя интерфейсом. В процессе эволюции может объединить два смежных слоев, или один слой подорваны еще один. О t = 8000 s, цистерны в целом занимают семь convecting слои. Отныне слияние слой является единственным процессом, и постепенно уменьшает количество слоев. О t = 14800 s, только один рулон convecting существует в всей цистерны после того, как последний интерфейс исчезает, и состояние конвективный поток подход стабильный конвекции Рэлея – коротковолновых. Как показано на рис. 2 и рис. 3 c, соответствующие отклонения температуры верхней и нижней пластин для динамического изменения лестниц. На рисунке 4показаны зарегистрированная температура и соленость профили. Обратите внимание, что профили температуры и солености, постоянно сдвигаются на 1,5 ° C, и 3,0 г/кг, соответственно, для лучшего разъяснения. Временной интервал между двумя профилями соседа — 404 s. На этом рисунке эти профили четко демонстрируют динамику изменения структуры лестница. Соответствующие модели лестницы с слоями и интерфейсы записан в shadowgraph измерения (рис. 3 c).

Figure 1
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки (a) основные составные части экспериментальной установки. (b) Настройка рабочей емкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2. Изменения температуры в нижней (красная кривая) и top (черная кривая) плит во время эксперимента. Кривой серый обозначает температуры окружающей среды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3. Мгновенное shadowgraph изображение и пост-обработка () Shadowgraph изображения при t = 3375 s, (b) интенсивность колебаний вдоль оси z, Equation 7 , интенсивности изображения в Рисунок 3А, (c) височной эволюция структуры DC с цветом заливки показаны Equation 7. Белый пунктирная линия соответствует профиль показан на рисунке 3b. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4. Последовательных профилей эволюции DC. Вверху: Температурные профили, внизу: профили солености. С шагом 1,5 ° c температуры и солености по 3,0 г/кг между соседними профили применяются. Временной интервал между двумя профилями соседа — 404 s. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В настоящем документе описывается подробный экспериментальный протокол для имитации термохалинной структуры лестница DC в прямоугольный бак. Первоначальный линейной плотности стратификации рабочей жидкости построен с использованием метода двух танк. Верхняя плита хранится в постоянной температуре и один внизу на постоянной тепловой поток. Вся эволюция процесса DC лестницы, включая его поколения, развития, слиянию и исчезновения, визуализируются с shadowgraph техникой, и разницы температуры и солености записываются с высокой точностью зонд. С этими измерениями один можно не только качественно наблюдать изменения лестница, но также количественно анализировать изменения температуры, солености и плотности. Кроме того отклонения толщины и теплового потока слоя может быть параметризован в situ океанических приложений26,27. Некоторые представитель экспериментальные результаты отображаются и обсудил с цифрами.

В шаге 3.2 танк A, B танк и бак рабочей соединены при создании первоначального линейной плотности стратификации рабочих танка. Законом подключенного судов жидкости в баке A автоматически поступает в бак B, и скорость потока от бака B в бак работы именно два раза, из бака A в бак B, который может привести к градиент вертикально линейной плотности wor Король жидкости29. В шаге 5.1, позиция каждого интерфейса могут быть определены на основе местных максимальная интенсивность колебаний профиля Equation 7 ; Это потому, что есть колебания сильной интенсивности света на позициях DC интерфейсов.

По сравнению с предыдущим DC эксперименты в литературе, настоящей установки и метод может измерить профили температуры и солености и записывать жидкость шаблон изображения синхронно. Временные и пространственные решения являются достаточно высокими, чтобы захватить тонкие интерфейсы, а также другие тонкой структуры турбулентного. Главное ограничение этого метода является, что теплообмен между внутри и снаружи цистерны рабочих не было записано, который будет улучшена, если точные вертикальные теплового потока должны быть измерены.

Стоит отметить, что в этом эксперименте Начальная плотность стратификации и граничных условий можно легко управлять как необходимые для различных целей. Некоторые сложные условия работы также может быть достигнуто с немного настройки, например нелинейных стратификации могут быть построены, модулируя соотношение скорости потока от A до B танк танк и что из бака B рабочей танк в двух танк методы29 . Таким образом ожидается, что нынешней экспериментальной установки и метод может применяться для имитации некоторых других океанических явлений, таких как океанических горизонтальных конвекции, глубоководных гидротермальных извержений, поверхности перемешанный слой углубления и эффект подводная лодка геотермальных на циркуляции в океане и так далее.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана китайского NSF грантов (41706033, 91752108 и 41476167), Grangdong NSF грантов (2017A030313242 и 2016A030311042) и LTO Грант (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

Науки об окружающей среде выпуск 139 стратифицированной жидкости диффузионные конвекции лестница структура Shadowgraph техника Convecting слой интерфейс
Эволюция структур лестница в диффузионном конвекции
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