Summary
Diffus konvektion (DC) förekommer allmänt i naturliga processer och tekniska tillämpningar, kännetecknas av en serie av trappor med homogena convecting lager och stratifierat gränssnitt. En experimentell förfarande beskrivs att simulera processen evolution av DC trappa struktur, inklusive produktion, utveckling och försvinnande, i en rektangulär tank.
Abstract
Diffus konvektion (DC) inträffar när vertikalt stratifierat densitet styrs av två motsatta skalär toningar som har tydligt olika molekylära diffusivities och de större - och mindre-diffusivitet skalär lutningarna har negativa och positiva bidrag för densitet distribution, respektive. DC uppstår i många naturliga processer och tekniska tillämpningar, exempelvis oceanografi, astrofysik och metallurgi. I haven är en av de mest anmärkningsvärda funktionerna i DC att vertikala temperatur och salthalt profilerna är trappa-liknande struktur, som består av på varandra följande steg med tjocka homogena convecting lager och relativt tunn och hög-gradient gränssnitt. Den DC trappor har observerats i många hav, särskilt i Arktis och Antarktis hav, och spelar en viktig roll på havscirkulationen och climatic ändring. I Arktiska oceanen finns det bassäng-omfattande och ihållande DC trappor i övre och djupa haven. DC processen har en viktig effekt på diapycnal blandning i övre havet och kan påverka ytan is-smältning. Jämfört med begränsningarna av fältobservationer, visar laboratorium försöket dess unika fördel att faktiskt undersöka de dynamiska och termodynamiska processerna i DC, eftersom randvillkor och kontrollerade parametrar kan justeras strängt. Här är ett detaljerat protokoll beskrivs att simulera processen evolution av DC trappa struktur, inklusive dess produktion, utveckling och försvinnande, i en rektangulär tank fylld med stratifierat salthaltigt vatten. Experiment, evolution processen, dataanalys och diskussion av resultaten beskrivs i detalj.
Introduction
Dubbelrum diffus konvektion (DDC) är en av de viktigaste vertikala blandning processerna. Det inträffar när vertikala densitet distribution av kolumnen stratifierat vatten styrs av två eller flera scalar komponenter övertoningar i motsatta riktningar, där komponenterna har tydligt olika molekylära diffusivities1. Den förekommer allmänt i oceanografi2, den atmosfär3, geologi4, astrofysik5, materialvetenskap6, metallurgi7och arkitektoniska engineering8. DDC är närvarande i nästan hälften av den globala oceanen, och den har viktiga effekter på oceanic flerskalig processer och även climatic ändringar9.
Det finns två primära lägen för DDC: salt finger (SF) och diffus konvektion (DC). SF uppstår när en varm, salt vatten massa overlies svalare, fräschare vatten i stratifierat miljön. När det varma och salta vattnet ligger under det kallt och friskt vattnet, bildar DC. Den anmärkningsvärda inslaget i DC är att de vertikala profilerna av temperatur, salthalt och densitet är trappa-liknande, komponerad av alternant homogen convecting lager och tunna, starkt skiktat gränssnitt. DC uppstår huvudsakligen i hög latitud oceaner och vissa inre salt sjöar, såsom Arktis och Antarktis hav, Ochotska havet, röda havet och afrikanska Kivu laken10. I Arktiska oceanen finns det bassäng-omfattande och ihållande DC trappor i övre och djupa hav11,12. Det har en viktig effekt på diapycnal blandning i övre havet och kan påverka is-smältning, som nyligen väcker fler och fler intressen i oceanografi gemenskapen13.
DC trappa struktur upptäcktes först i Arktiska oceanen i 196914. Efter, Padman & Dillon15, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18och Shibley et al. 19 mäts den DC trappor i olika avrinningsområden i ishavet, inbegripet vertikalt och horisontella skalor av convecting lager och gränssnitt, djup och sammanlagd tjocklek av trappan, vertikalt värmeöverföring, DC processer i tem eddy och de tidsmässiga och rumsliga förändringarna av trappa strukturerna. Schmid et al. 20 och Sommer o.a. 21 observerade DC trapporna med en mikrostruktur profiler i Kivu laken. De rapporterade huvudstrukturen funktioner och värme flöden av DC och jämfört de uppmätta värme flödena med befintliga parametriska formeln. Med dator bearbetningshastigheter förbättra, de numeriska simuleringarna av DC har nyligen gjorts, till exempel för att undersöka gränssnittet struktur och instabilitet, värmeöverföring genom gränssnittet, lager fusionerande händelse, och så vidare22, 23 , 24.
Fält observation har kraftigt förbättrat förståelsen av ocean DC för oceanografer, men mätningen begränsas starkt av obestämt oceanic flöde miljöer och instrument. Exempelvis gränssnittet DC har en extremt liten vertikal skala, tunnare än 0,1 m i vissa sjöar och hav25och några högupplösta specialinstrument behövs. Laboratoriet experimentet visar dess unika fördelar i att utforska grundläggande dynamiska och termodynamiska lagarna i DC. Med ett laboratorium experiment, kan man iaktta utvecklingen av DC trappan, mäta temperatur och salthalt och föreslå några Parameterframställning för oceaniska program26,27. Dessutom i ett laboratorium experiment, de kontrollerade parametrar och villkor lätt justeras efter behov. Exempelvis Turner först simulerade DC trappan i laboratoriet 1965 och föreslog en värme överföring Parameterisering över diffus gränssnittet, som uppdateras ofta och i stor utsträckning används i i situ oceanic observationerna28 .
I detta dokument beskrivs en detaljerad experimentellt protokoll att simulera processen evolution Trappans DC, inklusive produktion, utveckling och försvinnande i stratifierat salthaltigt vatten värms upp underifrån. Temperatur och salthalt mäts av en mikroskala instrument samt DC trapporna som övervakas med shadowgraph teknik. Experiment, evolution processen, dataanalys och diskussion av resultaten beskrivs i detalj. Genom att ändra den ursprungliga och randvillkor, kan den nuvarande experiment och metod användas för att simulera andra oceanic fenomen, såsom den oceaniska horisontella konvektion, djuphavsfiske hydrotermiska utbrott, blandade ytskiktet fördjupning, effekten av ubåt jordvärme på havscirkulationen och så vidare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. arbeta Tank
Obs: Experimentet utförs i en rektangulär tank. Tanken med tak- och bottenplåt och en sidovägg. Övre och nedre plattorna är tillverkade av koppar med elförzinkad ytor. I området i närheten finns det en vattenbehållaren inom den övre plattan. En elektrisk värmedyna infogas i bottenplattan. Sidovägg är tillverkad i transparent Plexiglas. Tankstorlek är Lx = 257 mm (längd), Ly = 65 mm (bredd) och Lz = 257 mm (höjd). Tjockleken på däcksidan är 9,5 mm.
- Ren koppar plåtar och Plexiglas däcksidan noggrant med destillerat vatten.
- Montera tanken med skruvar för att tanken ska vara vattentäta.
- Ställa in en rostfritt stål stödjande ram (höjd 150 mm) på en optisk bord och fixa tanken ovanför ramen med en värmeisolerande platta däremellan, vilket begränsar värme läckage från arbetande tanken till bordet.
- Infoga tre termistorer (temperaturstabilitet 0,01 ° c) i varje tallrik och ansluta dem till en digital multimeter. Observera dessa termistorer används för att övervaka temperaturen i övre och nedre plattorna.
- Placera en mikroskala ledningsförmåga och temperatur Instrument (MSCTI) inuti tanken och Anslut den till en multifunktion Data förvärv (MDA). Fixa MSCTI till Motorized Precision översättning etapp (MPTS).
Obs: Observera att MSCTI kan flyttas upp och ner genom den vertikalt rörliga, så att temperatur och salthalt profilerna av arbetsvätskan uppnås. Här har MSCTI temperaturstabilitet 0,01 ° C och salthalt stabilitet på 1%. MPTS har Lägesuppgifternas noggrannhet på 0.005 mm. - Ställa in parametrar i motsvarande program av den Digital Multimeter och multifunktion Data förvärv, såsom samplingsfrekvenser, datakanaler förvärv och förvaring sökvägar. Här, ange samplingsfrekvenser på den digital Multimeter och multifunktion dataförvärvet som 1.0 och 128 Hz, respektive.
- De rörliga parametrarna i programmet av den MPTS, inklusive inledande position, de lägsta och högsta positionerna, flytta hastighet och acceleration, av MSCTI. Här ställer in rörliga hastighet och acceleration som 1 mm/s och 0,5 mm/s2och ange lägsta och högsta positionerna som 20 och 220 mm ovanför bottenplattan. Detta leder till en tidsperiod för MPTS av 404 s för en upp-ner mätning. Ange den inledande placeringen av MSCTI på den lägsta positionen.
- Hålla rumstemperaturen nästan konstant runt 24 ° C med två högeffekts luftkonditioneringsapparater (arbetande makt 3000 W).
2. optiska apparater
Obs: Under experimentet, utvecklingen av DC trappan skulle övervakas med shadowgraph teknik, som är uppfyllda med den nedanför förfaranden
- Fäst en bit ritpapper (25,7 x 25,7 cm) på utsidan av tanken.
- Använd en smalstrålande LED-lampa som ljuskälla. Placera ljuskällan ca 5 m bort från den andra sidan av tanken, så att ett nästan kollimerad ljus kan genereras. Observera att under experimentet DC lager flytande struktur är upplyst på ritpapper på grund av densitet ändring (motsvarande ändring av brytningsindex) av vätska.
- Placera en hög hastighet videokamera på samma sida av ritpapper. Det är ca 1 m från tanken så att de skiktade strukturerna med fullstor tanken kan registreras.
- Ställ in samplingsfrekvens för videokameran. Observera att samplingsfrekvensen ska vara korrekt att fånga detaljerna i trappa evolutionerna. Här är samplingsfrekvensen för på videokameran 25 Hz.
- Slå på lampan och videokamera, och justera något sin potions och avstånd, för att säkerställa att tydliga bilder kan fångas av videokameran.
3. arbetsvätska
- Förbereda de saltlösning och färskt vatten i två tankar.
- Gå med två identiska rektangulära tankar (tank A och tank B) genom en flexibel slang (10 cm lång, 6 mm i innerdiameter och 10 mm i ytterdiameter) från botten av var och en.
- Fyll behållaren A med salthaltigt vatten, dess massa koncentration av salt (dvs salthalt) är 60 g/kg i det här exemplet.
- Fyll på vattenbehållaren B med en lika stor volym av de gasade friskt vatten och Använd en elektrisk magnetomrörare till kontinuerligt homogenisera vätskan.
- Hålla den ursprungliga vätska temperaturen inom båda tankarna samma som rumstemperaturen (24 ° C).
- Upprätta linjär densitet skiktningen i tanken fungerar.
- Använda dubbel-tank metod29 att upprätta en första linjära stratifiering av salthaltigt vatten i arbetande tanken.
- Placera behållaren A och B på samma höjd, som är 30 cm högre än arbeta tanken. Följ med tank B och arbeta tanken med en annan flexibel slang (50 cm lång, 2 mm i innerdiameter och 5 mm i ytterdiameter) från deras bottnar. På grund av vätsketrycket skillnaden i dessa två tankar, kan vätskan i behållaren B injiceras långsamt i arbetande tanken.
- Styra flödet hastighet med en Peristaltisk pump på 0,45 mL/s. Obs hela tiden av vatten-fyllning för arbetande tanken är ca 3 h. beräkna salthalten längst arbeta tanken baserat på29
(1)
där SA, V och V0 är salthalten i tank A, flytande slutvolymen av arbetande tanken och den ursprungliga vätska volymen av tank A (eller B), respektive. Med hjälp av salthalten i botten SB och sötvattenet överst, är flytkraft frekvensen av inledande stratifiering N0
(2)
där g är gravitationsacceleration, ρ0 är referens densitet och β är salthalten kontraktion koefficient. Obs N0 beräknas som 1.14 rad/s i det här exemplet.
(1)
(2)4. kör experimentet
- Ange den gräns villkoren för den arbetande tanken.
- Anslut vattenbehållaren av övre plattan till en kyld Cirkulator med åtta fördelade mjuka plaströr (150 cm i längd, 10 mm i innerdiameter och 15 mm i ytterdiameter). Observera att temperaturen i topplattan beror på temperaturen av kylda cirkulationspumpen. Ställ in temperaturen på den övre plattan vara samma som rumstemperaturen (24 ° C).
- Anslut den elektrisk värmedyna inuti bottenplattan till en likström Supply. Observera en konstant värme flux finns till arbetsvätskan under detta experiment, som beräknas som
(3)
där U, R och A är spänningen, pad elektriskt motstånd och effektiva arean av elvärme, respektive. I det här exemplet motstånd och effektiva området är 44.12 ohm och 1,89 × 10-2 m2. Ange spänningen som 60 V, så att den totala värmen flux Fh är 4317 W/m2.
- Slå på videokameran att registrera flödet mönstret.
- Slå på den digitala Multimeter, multifunktion Data Acquisition att övervaka temperaturen i övre och nedre plattorna och temperatur och salthalt av vätska med hjälp av MSCTI.
- Slå på MPTS att flytta MSCTI upp och ner för att uppnå de temperatur och salthalt profilerna av arbetsvätskan.
- Slå på kylda cirkulationspumpen och den direkta-strömtillförsel att uppnå den övre och nedre gränsen villkoren av arbetsvätskan.
Obs: Notera att hela experimentet kommer att uppleva generation, utveckling, mergence och försvinnandet av DC trappan, och det kommer att pågå ca 5 timmar. Efter försvinnandet av alla DC trappor, Stäng av den direktström Supply, kyld cirkulationspumpen, MPTS, Digital Multimeter, multifunktion datainsamling och videokamera i sin tur.
(3)5. databearbetning
- Shadowgraph bild
- Använda ett Matlab-program för att konvertera video inspelad av videokameran till bildföljden för vidare analys. Skräddarsy dessa bilder för att accentuera det flöde mönstret i tanken. Ange digital bild intensitet som jag (x, z), där (x, z) betecknar de vågräta och lodräta koordinaterna med ursprung i det nedre vänstra hörnet av bilden. Observera I (x, z) varierar över (0, 1) med grå nivå 256. Normalisera varje bild av en bakgrundsbild som30
(4)
där
är den genomsnittliga bild intensiteten över 10 bilder tagna före kylning och värme tillämpas, 
betecknar intensiteten i jagth bild. På detta sätt kan de stationära defekterna i bilderna tas bort. För att undersöka den tidsmässiga utvecklingen av DC mönster, varje bild kan omvandlas till en enda vertikala intensitet fluktuation profil, 
, genom att beräkna bild intensitet fluktuationer (dvsroot-mean-square av intensitet) längs den horisontell riktning . Rita intensitet fluktuation profilerna successiva bilder tillsammans med ökande tid att Visa evolutionerna av DC trapporna.
- Använda ett Matlab-program för att konvertera video inspelad av videokameran till bildföljden för vidare analys. Skräddarsy dessa bilder för att accentuera det flöde mönstret i tanken. Ange digital bild intensitet som jag (x, z), där (x, z) betecknar de vågräta och lodräta koordinaterna med ursprung i det nedre vänstra hörnet av bilden. Observera I (x, z) varierar över (0, 1) med grå nivå 256. Normalisera varje bild av en bakgrundsbild som30
- Temperatur och salthalt profiler
- Observera i detta experiment som de vertikala profilerna av temperatur och salthalt av arbetsvätskan mäts av den upp-ner rörliga MSCTI. Beräkna den temporal höjden, h(t), av MSCTI med medelvärde flytta hastighet w, tiden t, start tid t0 (motsvarande den lägsta positionen), den lägsta position hL och högsta position hH, som
(5)
där
MSCTI flyttar period från lägsta (högsta) till högsta (lägsta) position, n och δ är integrerad och fraktionerad delar, respektive. Sedan beräkna den temporal höjd h(t) som
(6)
Obs i ekvation (6), om n är jämnt, MSCTI är på väg upp; annars är MSCTI på väg ner. Rita den tid serien temperatur t(ô) och salthalt S(t) när det gäller höjd h(t) att få de vertikala profilerna för temperatur och salthalt.
- Observera i detta experiment som de vertikala profilerna av temperatur och salthalt av arbetsvätskan mäts av den upp-ner rörliga MSCTI. Beräkna den temporal höjden, h(t), av MSCTI med medelvärde flytta hastighet w, tiden t, start tid t0 (motsvarande den lägsta positionen), den lägsta position hL och högsta position hH, som
(4)
är den genomsnittliga bild intensiteten över 10 bilder tagna före kylning och värme tillämpas, 
betecknar intensiteten i jagth bild. På detta sätt kan de stationära defekterna i bilderna tas bort. För att undersöka den tidsmässiga utvecklingen av DC mönster, varje bild kan omvandlas till en enda vertikala intensitet fluktuation profil, 
(5)
MSCTI flyttar period från lägsta (högsta) till högsta (lägsta) position, n och δ är integrerad och fraktionerad delar, respektive. Sedan beräkna den temporal höjd h(t) som
(6)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 visar schematiskt av experimentella installationen. Dess komponenter beskrivs i protokollet. De viktigaste delarna visas i figur 1a och detaljerad arbeta tanken visas i figur 1b. Figur 2 visar temperatur förändringarna i botten (Tb, den röda kurvan) och övre (Tt, den svarta kurvan) plattor. Det indikeras att temperaturen hos de två plattorna är nästan samma som rumstemperaturen (24 ° C) initialt. Vid t = 641 s, topp-kylning och botten-värme tillämpas. Då börjar Tb att öka snabbt, från 24 ° C till 57 ° C, medan Tt är nästan konstant tills tiden når 7683 s. Under det här tidsintervallet förväntas det att värme överförs uppåt till vätskan, men har inte nått den övre plattan. Vid cirka t = 8000 s, Tb uppnår sin maximala, 57 ° C och Tt börjar öka successivt, vilket innebär att den nedre värmen når den övre plattan. Därefter är hela tanken helt full av DC trappa strukturer. Sedan bottenplattan temperaturen börjar sjunka och top-plattan temperaturen fortsätter att öka. Vid cirka t = 14800 s, både Tb och Tt ändra abrupt, som motsvarar till försvinnandet av de sista gränssnittet i tanken. Därefter både Tb och Tt närma konstanta värden, där hela stadigt flöde staten tillhör Rayleigh – Bénard konvektion26.
Figur 3a visar en momentan shadowgraph bild tagen vid t = 3375 s. Det finns tre gränssnitt och tre convecting lager i tanken. I det convecting lagret är flytande densiteten homogen, medan i gränssnittet, stor densitet (eller brytningsindex) lutning finns, som producerar starka ljusintensitet fluktuation. Figur 3b visar intensiteten fluktuation profilen 
, där positioner toppar är motsvarar de av gränssnitten. Figur 3 c visar intensiteten fluktuation profilen av shadowgraph bild som en funktion av tiden . Den uppvisar den tidsmässiga utvecklingen av DC trappan i experimentet, tillsammans med dynamiska processer, dvs lagret generation, utveckling och försvinnande. När systemet är uppvärmd, bildar ett convecting lager och tjocknar gradvis från botten av systemet. En skarp gräns flat ligger mellan det convecting lagret och ovan statiska vätskan. När når botten convecting lager en viss tjocklek, en ny convecting lager former över gränssnittet. Under tiden migrera de convecting lager och gränssnitt uppåt. En liknande process fortsätter tills ett nytt convecting lager bildar ovanför översta gränssnittet. I evolution processen, två intilliggande lager kan slås samman eller ett lager äts upp av en annan. På om t = 8000 s, hela tanken är ockuperat av sju convecting lager. Hädanefter, lager sammanslagningen är den enda processen och antalet lager minskar successivt. På om t = 14800 s, endast en convecting rulle finns i hela tanken efter senaste gränssnittet försvinner, och tillståndet konvektiv flöde närma en stabil Rayleigh – Bénard konvektion. Som visas i figur 2 och figur 3 c, är temperaturen varianserna av toppen och botten pläterar motsvarar de dynamiska förändringarna av trapporna. Den inspelade temperatur och salthalt profiler visas i figur 4. Observera att temperatur och salthalt profilerna skiftas kontinuerligt av 1,5 ° C, och 3,0 g/kg, respektive, för bättre klargöra. Tidsintervallet mellan två granne profiler är 404 s. I den här bilden uppvisar dessa profiler tydligt dynamics ändringarna av strukturerna som trappa. Mönster av trapporna finns motsvarande med lager och gränssnitt registreras i shadowgraph mätningarna (figur 3 c).
Figur 1. Schematisk av den experimentella setup (a) Main komponentdelar av experimentella installationen. (b) inställning av arbetande tanken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Temperaturförändringar i botten (röd kurva) och top (svart kurva) plattor under experimentet. Den grå kurvan betecknar omgivningstemperaturen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Momentana shadowgraph bild och efterbearbetning a Shadowgraph bild vid t = 3375 s, (b) intensitet fluktuation längs z riktning, , på bilden intensiteten i figur 3a, (c) temporala utvecklingen av DC mönster med färg skuggning visar . Den vita streckade linjen motsvarar profil visas i figur 3b. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Successiva DC evolution profiler. Överst: Temperaturprofiler, botten: salthalt profiler. Steg om temperatur av 1,5 ° C och salthalt av 3,0 g/kg mellan de angränsande profilerna tillämpas. Tidsintervallet mellan två granne profiler är 404 s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denna uppsats beskrivs en detaljerad experimentellt protokoll för att simulera de termohalina DC trappa strukturerna i en rektangulär tank. En inledande linjär densitet stratifiering av drivmedlet är konstruerad med två-tank-metoden. Den övre plattan hålls vid en konstant temperatur och den längst ned på konstant värmeflödet. Hela utvecklingen processen Trappans DC, inklusive dess generation, utveckling, mergence och försvinnande, visualiseras med shadowgraph teknik, och avvikelser i temperatur och salthalt är inspelade av en sond med hög noggrannhet. Med dessa mätningar, kan en inte bara kvalitativt Observera ändringarna av trappa, men också kvantitativt analysera förändringarna av temperatur, salthalt och densitet. Dessutom kan avvikelser av lager tjocklek och heat flux kan parametriseras för i situ oceanic program26,27. Några representativa experimentella resultat visas och diskuteras med siffrorna.
I steget 3.2 är A Tank, Tank B och arbeta tanken anslutna under etableringen av den första linjära tätheten stratifieringen för arbetande tanken. Av lagstiftningen i de anslutna fartyg, vätskan i behållaren A flyter automatiskt in i tanken B och flödet från tanken B i arbete tanken är just två gånger som från tanken A in i tanken B, vilket kan resultera i en vertikalt linjär densitet gradient av wor konungen vätska29. I steg 5.1, positionen för varje gränssnitt kan identifieras baserat på lokala maximalstyrkan fluktuationer i profilen ; Detta beror på att det finns starka ljusintensitet fluktuationer på positionerna för DC gränssnitten.
Jämfört med tidigare DC experiment i litteraturen, kan den nuvarande setup och metod mäta temperatur och salthalt profilerna och spela in de vätska-mönster bilderna synkront. De tidsmässiga och rumsliga upplösningarna är tillräckligt hög för att fånga de tunna gränssnitt samt andra fina turbulenta strukturer. Den största begränsningen med denna metod är att värmeutbytet mellan insidan och utsidan arbeta tanken inte har registrerats, som kommer att förbättras ytterligare om den korrekta vertikala värmeflödet behöver mätas.
Det är värt att påpeka att i detta experiment de initiala densitet stratifiering och randvillkor kan lätt styras som krävs för olika ändamål. Vissa komplexa arbetsförhållanden kan också uppnås med lite justering, till exempel ickelinjära stratifieringen kan konstrueras genom att modulera förhållandet av flöden från tank A till tank B och som från tank B arbeta tanken i de två-tank metoderna29 . Det förväntas därför att den nuvarande experiment och metod kan tillämpas för att simulera vissa andra oceanic fenomen, såsom oceanic horisontella konvektion, djuphavsfiske hydrotermiska utbrott, blandade ytskiktet fördjupning, och effekten av ubåt jordvärme på havscirkulationen och så vidare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av den kinesiska NSF bidrag (41706033, 91752108 och 41476167), Grangdong NSF bidrag (2017A030313242 och 2016A030311042) och 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 |
References
- Turner, J. S. Buoyancy Effects in Fluids. , Cambridge Univ. Press, N. Y. 367 (1973).
- Schmitt, R. W. Double diffusion in oceanography. Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).
- Turner, J. S., Gustafson, L. B. Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).
- Robb, L. Introduction to Ore-forming Processes. , Blackwell Publishing. 373 (2004).
- Chabrier, G., Baraffe, I. Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective. The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).
- Langlois, W. E. Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts. Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).
- Chen, C. -F., Johnson, D. H. Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference. Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).
- Griffiths, R. W. Layered double-diffusive convection in porous media. Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).
- You, Y. Z. A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).
- Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. The diffusive regime of double diffusive convection. Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).
- Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline. Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).
- Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).
- Turner, J. S. The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below. Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).
- Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. Thermal stratification in the Arctic Ocean. Science. 166 (3903), 373-374 (1969).
- Padman, L., Dillon, T. M. Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).
- Sirevaag, A., Fer, I. Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing. Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).
- Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).
- Bebieva, Y., Timmermans, M. L. An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).
- Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. Spatial variability of the Arctic Ocean's double-diffusive staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).
- Schmid, M., Busbridge, M. Double-diffusive convection in Lake Kivu. Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).
- Sommer, T., et al. Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).
- Carpenter, J. R., Sommer, T., Wüest, A. Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime. Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).
- Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. Heat transport through diffusive interfaces. Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).
- Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events. Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).
- Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., Wüest, A. Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia. Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).
- Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).
- Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. New parametrization for heat transport through diffusive convection interface. Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).
- Turner, J. S. The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface. International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).
- Hill, D. F. General density gradients in general domains: the "two-tank" method revisited. Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).
- Zhou, S. Q., Ahlers, G. Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal. Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).
