Waiting
Login processing...

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

Environment

האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט

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

הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת באופן נרחב התהליכים הטבעיים ויישומים הנדסה, המאופיינת על ידי סדרה של גרמי מדרגות עם שכבות convecting הומוגנית וממשקים מרובדת. ניתוח ניסיוני מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, בתוך מיכל מלבני.

Abstract

הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת כאשר האנכי מרובדת צפיפות נמצאת בשליטת שני המתנגדים שיטתיות מעברי צבע שיש diffusivities מולקולרי שונה במובהק, מעברי הצבע שיטתית גדול יותר - ולא קטנים יותר-diffusivity יש שליליים או חיוביים תרומות עבור התפלגות צפיפות, בהתאמה. ה-DC מתרחשת אצל רבים התהליכים הטבעיים, יישומים הנדסיים, לדוגמה, אוקיינוגרפיה, אסטרופיזיקה, מטלורגיה. ובאוקיאנוסים, אחת התכונות המופלאות ביותר של DC היא פרופילי טמפרטורה, מליחות אנכי הם כמו גרם מדרגות המבנה, המורכב שלבים עוקבים עם שכבות עבות convecting הומוגנית וממשקים יחסית רזה, גבוהה-צבע. גרמי DC נצפו האוקיינוסים רבים, במיוחד הארקטי וימים באנטארקטיקה, ולשחק תפקיד חשוב על זרימת האוקיינוס ועל שינוי אקלים. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC באוקיינוסים עליון ועמוק. תהליך DC יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון, עשויים להשפיע משמעותית על משטח הקרח נמס. לעומת המגבלות של תצפיות שדה, ניסוי מעבדה מראה את היתרון הייחודי ביעילות לבחון את התהליכים תרמודינמי ודינמיקה בוושינגטון, כי התנאים הגבול ואת הפרמטרים מבוקר ניתן בהחלט להתאים. . הנה, פרוטוקול מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל את הדור, הפיתוח ואת היעלמותה, בתוך מיכל מלבני מלא במים מלוחים מרובדת. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט.

Introduction

הסעת חום דיפוזיה כפול (DDC) הוא אחד התהליכים החשובים ביותר ערבול אנכי. בעיה זו מתרחשת כאשר בחלוקת הצפיפות אנכי של עמודת המים מרובדת נשלטת על ידי שניים או יותר מעברי צבע רכיבים שיטתיות של כיוונים מנוגדים, שבו הרכיבים יש diffusivities מולקולרי שונה במובהק1. זה קורה באופן נרחב אוקיינוגרפיה2, האווירה3, גיאולוגיה4, אסטרופיזיקה5, מדעי החומרים6, מטלורגיה7ואדריכלי הנדסה8. DDC נוכח כמעט מחצית של האוקיינוס העולמי, יש השלכות חשובות על תהליכי מידה מרובה של אושיאניק, שינויים אקלימיים אפילו9.

ישנם שני מצבי העיקרי עבור DDC: מלח אצבע (SF) ובהסעה דיפוזיה (DC). SF מתרחשת כאשר מים חמים, מלוח בנפח גדול מ מים קריר יותר, רענן בסביבת מרובדת. כאשר המים החמות שוכנת מתחת למים קרים ורענן, יהוו ה-DC. תכונה יוצאת דופן של ה-DC הוא הפרופיל האנכי של טמפרטורה, מליחות, צפיפות כמו גרם מדרגות, הולחן על ידי alternant הומוגנית convecting שכבות וממשקים דק, מרובדת חריפה. DC בעיקר מתרחשת ב- latitude גבוהה אוקיינוסים, אגמי מלח פנים מסוימים, כגון הארקטי, האוקיינוסים באנטארקטיקה, הים של וקהוצק, הים האדום ואל אגם קיבו אפריקאי10. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC11,האוקיינוסים עליון ועמוק12. יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון והוא עשוי להשפיע באופן משמעותי על הקרח נמס, אשר מעוררת לאחרונה יותר ויותר האינטרסים הקהילה אוקיינוגרפיה13.

מבנה גרם המדרגות DC התגלה לראשונה באוקיינוס הארקטי 196914. אחרי זה, Padman & דילון15, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, ג'ואו & Lu12, גאת'רי ואח... 17, Bebieva & Timmermans18ו שיבלי ואח. 19 נמדד גרמי DC באגני שונים של האוקיינוס הארקטי, כולל האנכי וחום סולמות אופקי של השכבה convecting, ממשק, העומק ואת העובי הכולל של גרם המדרגות, האנכי העברה, התהליכים DC אדי mesoscale, השינויים טמפורלית המרחבי של המבנים גרם מדרגות. שמיד ואח. 20 ו. זומר ואח 21 נצפתה גרמי DC באמצעות פרופיילר מיקרו באגם קיבו. הם דיווחו על תכונות מבנה הראשי והנתיבים חום של DC, השוו את פלקסים נמדד חום עם הנוסחה הקיימת פרמטרית. עם המחשב עיבוד מהירויות שיפור, הסימולציות המספרי של DC לאחרונה נעשו, לדוגמה, כדי לבחון את הממשק מבנה וחוסר יציבות, מעבר חום באמצעות ממשק, שכבה אירוע מיזוג, וכן הלאה22, 23 , 24.

תצפית שדה התעלתה את ההבנה של האוקיינוס DC עבור oceanographers, אך המדידה חריפה מוגבל על ידי זרימה של אושיאניק ייווצרו סביבות וכלים. לדוגמה, הממשק DC כולל קנה מידה אנכי קטן מאוד, דק יותר 0.1 m כמה אגמים וימים25, קצת כלי ברזולוציה גבוהה מיוחדים נדרשים. בניסוי מעבדה מציג יתרונות ייחודיים לחקור את חוקי היסוד של תרמודינמי ודינמיקה של DC. עם ניסוי מעבדה, אחד יכול להתבונן על האבולוציה של המדרגות DC, למדוד טמפרטורה, מליחות, ולהציע קצת parameterizations עבור יישומים אושיאניק26,27. יתר על כן, בניסוי מעבדה, הפרמטרים מבוקרת והתנאים ברצון מותאמות לפי הצורך. לדוגמה, טרנר קודם מדומה המדרגות DC במעבדה בשנת 1965 והציע parameterization העברה של חום ברחבי הממשק המפזרת, המתעדכנות לעתים תכופות, נעשה שימוש נרחב ב באתרו של אושיאניק התצפיות28 .

בנייר זה, פרוטוקול נסיוני מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, במים מלוחים מרובדת מחומם מלמטה. טמפרטורה, מליחות נמדדים על ידי מכשיר מיקרו-סולם, כמו גם גרמי DC במעקב עם טכניקה שדוגרפיה. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט. על ידי שינוי ההתחלתי ואת תנאי גבול, הגדרת הניסוי הנוכחי ואת שיטת יכול לשמש כדי לדמות ושאר התופעות של אושיאניק, כגון הסעה אופקית של אושיאניק, התפרצויות הידרותרמי במים עמוקים, העמקת מעורבות שכבת פני השטח, השפעת הצוללת גיאותרמית על זרימת האוקיינוס, וכך הלאה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. עובד טנק

הערה: הניסוי מבוצעת בתוך מיכל מלבני. הטנק כולל לוחות עליונים ותחתונים, קיר צד. הלוחות העליונים והתחתונים עשויים נחושת עם משטחים electroplated. יש חדר מים בתוך הפלטה. רכיב pad חימום חשמלי נוסף צלחת התחתון. הקיר בצד עשוי פלסטיק שקוף. גודל המיכל הוא Lx = 257 מ מ (אורך), Ly = 65 מ מ (רוחב) ו- Lz = 257 מ מ (גובה). עובי sidewall הוא 9.5 מ מ.

  1. לנקות את הצלחות נחושת ו sidewall פרספקס בזהירות עם מים מזוקקים.
  2. להרכיב את המיכל עם ברגים כדי להבטיח המיכל מים חזק.
  3. להגדיר מסגרת תומכת מפלדת (גובה של 150 מ מ) על טבלת אופטי ותקן למיכל מעל המסגרת עם חום בידוד סלאב בין, אשר מגביל לדליפת חום ממיכל לעבוד על הטבלה.
  4. הכנס שלושה תרמיסטורים (יציבות טמפרטורה של 0.01 מעלות צלזיוס) לתוך כל צלחת וחבר אותם מולטימטר. הערה שתרמיסטורים אלה משמשות כדי לפקח על הטמפרטורות של הלוחות העליונים והתחתונים.
  5. מקום של מוליכות מיקרו-סולם טמפרטורה כלי נגינה (MSCTI) בתוך הטנק וחבר אותו הרב-תכליתית נתוני הרכישה (מד א). לתקן את MSCTI לשלב תרגום דיוק ממונע (mpts ב).
    הערה: שימו לב כי MSCTI אפשר להזיז למעלה ולמטה על ידי נע אנכית, כך פרופילי טמפרטורה, מליחות של נוזל עובד מושגות. . הנה, MSCTI יש יציבות טמפרטורה של 0.01 מעלות צלזיוס ומליחות יציבות של 1%. Mpts ב יש דיוק מיקום של 0.005 mm.
  6. להגדיר את הפרמטרים בתוכנות התואם את מולטימטר, רכישת נתונים רב-תפקודיים, כגון שיעורי דגימה, נתוני הרכישה ערוצים ונתיבים אחסון. . הנה, הגדר את קצבי דגימה של מולטימטר ורכישת נתונים רב-תפקודיים 1.0 ו 128 Hz, בהתאמה.
  7. להגדיר את הפרמטרים נע של mpts ב, כולל המיקום הראשוני, העמדות הגבוהים והנמוכים, העברת מהירות, האצה, של MSCTI התוכנה. כאן, להגדיר את המהירות ואת האצת נע כמו 1 מ מ/s ו- 0.5 מ מ/s2, וקבעו המיקומים הגבוהים והנמוכים ביותר כמו 20 ו- 220 מ מ מעל צלחת התחתון. זה מוביל פרק זמן של mpts של 404 s למדידה מעלה-מטה. לקבוע את המיקום הראשוני של MSCTI המיקום הנמוך ביותר.
  8. לשמור את טמפרטורת החדר כמעט קבוע בסביבות 24 ° C עם שני ובעוצמת מזגנים (כוח עבודה של 3000 W).

2. מכשיר אופטי

הערה: במהלך הניסוי, האבולוציה של המדרגות DC להיות במעקב עם טכניקה שדוגרפיה, אשר מתגשמת עם להלן נהלים

  1. צרף פיסת נייר העתקה (25.7 ס"מ על 25.7 ס"מ) בצד החיצוני של הטנק.
  2. השתמש מנורת LED קרן צרה כמקור אור. המקום מקור האור כ- 5 מ' מן הצד השני של הטנק, כך אור מקבילות כמעט יכול להיווצר. שימו לב כי במהלך הניסוי DC שכבות נוזלים מבנה מואר על נייר עקיבה עקב שינוי צפיפות (תואם להשינוי של אינדקס השבירה) של הנוזל.
  3. הצב מצלמת וידאו במהירות גבוהה באותו צד של הנייר העקיבה. זה בערך כמטר. תתרחק מהמיכל כך ניתן להקליט את המבנים שכבתית עם הטנק בגודל מלא.
  4. הגדר את קצב הדגימה של מצלמת וידאו. שים לב קצב הדגימה צריכה להיות נכונה ללכוד את הפירוט של וצמחתי גרם המדרגות. . הנה, קצב הדגימה של מצלמת וידאו הוא 25 הרץ.
  5. להדליק את המנורה ואת מצלמת וידאו, לתקן במקצת את המרחקים שיקויים שלהם, כדי להבטיח זה ברור תמונות יכול להיות נתפס על ידי מצלמת וידאו.

3. עבודה נוזל

  1. להכין את המים מלוחים ורענן, שני טנקים.
    1. הצטרפו שני טנקים מלבני זהים (טנק A וטנק B) על ידי צינורית גמישה (10 ס מ אורך, 6 מ מ בקוטר הפנימי של 10 מ מ קוטר חיצוני) מהחלק התחתון של כל אחד.
    2. מילוי טנק A עם מים מלוחים, שלה ריכוז מסה של מלח (קרי, מליחות) הוא 60 g/kg בדוגמה זו.
    3. למלא את מיכל B אחסון שווה של מים מתוקים בטל נודף גז, והשתמש של פגים חשמלי כדי ברציפות homogenize את הנוזל.
    4. . לשמור על הטמפרטורה נוזלים הראשונית בתוך שני טנקים זהה טמפרטורת החדר (24 ° C).
  2. להקים צפיפות קווית ריבוד במיכל עבודה.
    1. להשתמש בשיטה הכפולה-טאנק29 כדי ליצור של ריבוד ליניארי הראשונית של המים מלוחים במיכל עבודה.
    2. הצב טנק A ו- B באותו גובה, אשר הוא 30 ס מ גבוה יותר למיכל עבודה. הצטרפות טנק B הטנק לעבוד עם צינור גמיש נוסף (50 ס מ אורך, 2 מ מ בקוטר הפנימי של 5 מ מ בקוטר חיצוני) מ מחוטים. עקב ההבדל לחץ הנוזלים האלה שני טנקים, הנוזל במיכל B יכול להיות לאט מוזרק לתוך הטנק עבודה.
    3. שליטה על מהירות זרימה עם משאבה סחרור ב 0.45 mL/ס הערה כל הזמן של מילוי מים לטנק עבודה הוא בערך 3 ח' חשב המליחות בתחתית המיכל עבודה המבוססת על29
      Equation 1(1)
      איפה SA, V ו- V0 הן מליחות של הטנק A, נפח נוזל הסופי של הטנק עבודה ואת נפח נוזלים הראשונית של טנק A או B, בהתאמה. באמצעות המליחות התחתון SB , את המים בחלק העליון, היא התדירות ציפה של ריבוד הראשונית N0
      Equation 2(2)
      כאשר g היא תאוצת הכובד, ρ0 הוא הפניה צפיפות וβ הוא מקדם התכווצות מליחות. הערה N0 מחושבת 1.14 ראד/s בדוגמה זו.

4. עורכים את הניסוי

  1. הגדר את תנאי גבול לטנק עבודה.
    1. להתחבר לחדר מים של הפלטה סירקולטור קירור עם שמונה מבוזרות בצורה אחידה רך צינורות פלסטיק (150 ס מ אורך, 10 מ מ קוטר פנימי ו- 15 מ מ בקוטר חיצוני). שימו לב כי הטמפרטורה של הפלטה תלויה הטמפרטורה של סירקולטור בקירור. הגדר את הטמפרטורה של הפלטה כדי להיות זהה טמפרטורת החדר (24 ° C).
    2. להתחבר לספק זרם ישיר כרית חימום חשמלי בתוך צלחת התחתון. הערה שטף חום קבועה ניתנת הנוזל לעבוד במהלך הניסוי הזה, אשר מחושב כמו
      Equation 3(3)
      היכן U, R ו- A המתח המסופק, התנגדות חשמלית ואזור יעיל של חימום חשמליים פאד, בהתאמה. בדוגמה זו, ההתנגדות ואת אזור יעיל הן 44.12 אוהם, 1.89 × 10-2 מ'2. הגדר את המתח המסופק כמו 60 V, כך החום הכולל שטף Fh הוא 4317 W/m2.
  2. הפעל את מצלמת וידאו כדי להקליט את תבנית זרימה.
  3. הפעל את מולטימטר, הרב-תכליתית קירור והקפאה לעקוב אחר הטמפרטורה של הלוחות העליונים והתחתונים וטמפרטורה ומליחות של נוזל באמצעות את MSCTI.
  4. הפעל את mpts ב לעבור את MSCTI למעלה ולמטה כדי להשיג את פרופילי טמפרטורה, מליחות של נוזל העבודה.
  5. הפעל את סירקולטור בקירור ולספק את זרם ישיר כדי להשיג את התנאים הגבול העליון והתחתון של נוזל העבודה.
    הערה: הערה כי הניסוי כולו תוכלו לחוות דור, פיתוח, מיזוגים, היעלמותו של המדרגות DC, זה יימשך כ – 5 שעות. לאחר היעלמותו של כל גרמי מדרגות DC, כבה את זרם ישיר לספק, סירקולטור בקירור, mpts ב, מולטימטר, הרב-תכליתית קירור והקפאה, ואת מצלמת וידאו בתורו.

5. עיבוד נתונים

  1. שדוגרפיה תמונה
    1. השתמש תוכנית Matlab להמרת וידאו שהוקלט על ידי מצלמת וידאו כדי תמונות עוקבות עבור ניתוח נוסף. להתאים את התמונות האלה. כדי להדגיש את תבנית זרימה בתוך הטנק. להגדיר את עוצמת תמונה דיגיטלי כמוני (x, z), שבו (x, z) מציין את נקודות הציון האופקיות עם המקור בפינה הימנית התחתונה של התמונה. שימו לב אני (x, z) שמשתנה במשך (0, 1) עם רמת האפור של 256. לנרמל את כל תמונה על-ידי תמונת רקע עד30
      Equation 4(4)
      איפה Equation 5 נגמר עוצמת התמונה ממוצע 10 תמונות שצולמו לפני את קירור וחימום מיושמת, Equation 6 מציין את עוצמת i התמונהth . בדרך זו, ניתן להסיר את הליקויים נייח של תמונות. כדי לבחון את האבולוציה הטמפורלי של DC דפוס, ניתן להמיר כל תמונת פרופיל תנודות בעוצמה אנכי יחיד, Equation 7 , על-ידי חישוב התמונה עוצמת התנודות (קרי, שורש ממוצע הריבועים בעוצמה) לאורך כיוון אופקי Equation 7 . להתוות את עוצמת התנודה פרופילי Equation 7 של תמונות עוקבות יחד עם הגדלת הזמן להראות את וצמחתי של גרמי DC.
  2. פרופילי טמפרטורה, מליחות
    1. הערה בניסוי זה את הפרופיל האנכי של טמפרטורה, מליחות של נוזל העבודה נמדדת על ידי MSCTI נע מעלה-מטה. לחשב את הגובה הטמפורלי, h(t), של MSCTI עם הממוצע נע מהירות w, בזמן t, את מוצא זמן t0 (תואם למצב הנמוך ביותר), מה המיקום הנמוךL ומקם הגבוה ביותר hH, כמו
      Equation 8(5)
      איפה Equation 9 MSCTI עוברת תקופה מהמיקום הנמוך (גבוה ביותר) לגבוה (הנמוך ביותר), n ואלפא הם החלקים אינטגרלי של השבר, בהתאמה. ואז לחשב את גובה טמפורלית h(t) כמו
      Equation 10(6)
      הערה במשוואה (6), אם n הוא אפילו, MSCTI זז אחרת MSCTI זז למטה. להתוות את הזמן בסדרה טמפרטורה T(t), מליחות S(t) מבחינת גובה h(t) כדי לקבל את פרופילי טמפרטורה, מליחות אנכי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מציג את הסכמה של ההתקנה ניסיוני. מרכיביו מתוארים בפרוטוקול. החלקים העיקריים מוצגות באיור איור 1a , הטנק עבודה מפורט מוצג איור 1b. איור 2 מציג את שינויי טמפרטורה בחלק התחתון (Tb, העקומה אדום) צלחות העליון (Tt, העקומה השחורה). הוא הצביע כי הטמפרטורה של שתי צלחות הם כמעט כמו טמפרטורת החדר (24 ° C) בתחילה. ב t = 641 s top-קירור, חימום תחתון מוחלים. לאחר מכן, Tb מתחיל לגדול במהירות, מ 24 ° C עד 57 ° C, בזמן Tt הוא כמעט קבוע עד הזמן מגיע 7683 s. במהלך טווח זמן זה, צפוי כי החימום מועבר הנוזל כלפי מעלה, אבל לא הגיע הפלטה. כ t = 8000 s, Tb משיגה שלו למקסימום, 57 ° C, Tt מתחילה להגדיל בהדרגה, מה שמרמז כי החימום התחתון מגיע הפלטה. מכאן ואילך, הטנק כולו הוא לגמרי מלא DC מדרגות מבנים. לאחר מכן הטמפרטורה צלחת התחתון מתחיל לרדת, הטמפרטורה העליון-plate ממשיך לגדול. כ t = 14800 s, Tb ו- Tt לשנות בפתאומיות, אשר תואמת היעלמותו של הממשק האחרון בתוך הטנק. לאחר מכן, הן Tb ו- Tt הגישה ערכים קבועים, שבו המדינה תזרים קבוע כל שייך הסעת חום ריילי – Bénard26.

איור 3a מראה תמונה שדוגרפיה מיידי נלקחה ב t = 3375 s. ישנם שלושה ממשקים, שלוש שכבות convecting במיכל. בשכבה convecting, צפיפות נוזל היא הומוגנית, בעוד ממשק, גדול צפיפות (או אינדקס השבירה) צבע קיים, אשר מייצר תנודות עוצמת אור חזקה. איור 3b מראה את עוצמת התנודות הפרופיל Equation 7 , איפה העמדות של Equation 7 פיקס הם המתאימים לאלו של הממשקים. C איור 3 מראה את עוצמת התנודות הפרופיל Equation 7 של התמונה שדוגרפיה כפונקציה של הזמן Equation 7 . זה מוצגים האבולוציה הטמפורלי של המדרגות DC לניסוי, בליווי תהליכים דינאמיים, כלומר את שכבת הדור, ופיתוח היעלמותו. ברגע שהמערכת מחומם, בשכבה convecting טפסים, מתעבה בהדרגה מהחלק התחתון של המערכת. ממשק חד נמצא בין השכבה convecting לבין הנוזל סטטי לעיל. כאשר החלק התחתון convecting שכבה מגיע ל עובי מסוים, צורות חדשות שכבת convecting מעל הממשק. בינתיים, שכבות וממשקים convecting נודדים כלפי מעלה. תהליך דומה נמשכת עד שכבה חדשה convecting טפסים מעל הממשק מעייניו. בתהליך האבולוציה, ייתכן למזג שתי שכבות סמוכים, או שכבה אחת מתפורר מאת עוד אחד. על אודות t = 8000 s, הטנק כולו מאוכלס על ידי שבע שכבות convecting. מעתה ואילך, מיזוג השכבה הוא התהליך היחיד והקטנת מספר השכבות בהדרגה. על אודות t = 14800 s, רק גליל convecting יחיד קיימת במיכל שלם לאחר הממשק האחרונה נעלמת והיא המדינה הולכת חום זרימה לגשת הסעת חום יציב של ריילי – Bénard. כפי שמוצג באיור 2 ואיור 3 c, טמפרטורה השונויות של הלוחות העליון והתחתון הם המתאימים השינויים הדינמיים של גרמי. מוקלט טמפרטורה, מליחות פרופילים מוצגים באיור4. שימו לב כי פרופילי טמפרטורה, מליחות יוזזו ברציפות על ידי 1.5 ° C, ולהבהיר 3.0 g/kg, בהתאמה, לטוב. מרווח הזמן בין שני פרופילים שכן הוא 404 s. באיור זה פרופילים אלה מציגים בבירור את השינויים דינמיקה של המבנים גרם מדרגות. הדפוסים של גרמי הם המתאימים עם שכבות ואשר נרשמו ממשקים המדידות שדוגרפיה (איור 3 c).

Figure 1
איור 1. סכמטי של ההתקנה ניסיוני (א) חלקי הרכיבים הראשי של ההתקנה ניסיוני. (ב) כיוונון של הטנקים עבודה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
באיור 2. שינויי טמפרטורה בחלק התחתון (עיקול אדום) העליון (עיקול שחור) צלחות במהלך הניסוי. העקומה אפור מציין את טמפרטורת הסביבה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3. שדוגרפיה נקודתית התמונה ואת שלאחר עיבוד (א) שדוגרפיה התמונה ב- t = s 3375, (ב) עוצמת התנודה לאורך בכיוון z, Equation 7 , של עוצמת התמונה ב- איור 3a, (ג) הטמפורלית האבולוציה של DC דפוס עם צבע הצללה הצגה Equation 7. הקו המקווקו לבן מתאים לפרופיל שמוצג באיור 3b. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
באיור 4. פרופילים רצופים של האבולוציה DC- העליון: פרופילי טמפרטורה, התחתון: פרופילים מליחות. במרווחים של הטמפרטורה על ידי 1.5 ° C, ומליחות על ידי 3.0 g/kg בין הפרופילים שכנות מוחלים. מרווח הזמן בין שני פרופילים שכן הוא 404 ס אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

נייר זה מתואר פרוטוקול נסיוני מפורט כדי לדמות את המבנים מדרגות DC thermohaline בתוך מיכל מלבני. ריבוד צפיפות קווית הראשונית של נוזל לעבוד נבנית באמצעות השיטה שני מיכלים. הפלטה נשמרת טמפרטורה, והתחתון-שטף חום קבוע. תהליך האבולוציה כל המדרגות DC, לרבות שלה הדור, פיתוח, מיזוגים היעלמותו, הם דמיינו את הטכניקה שדוגרפיה ולאחר השונויות של טמפרטורה, מליחות נרשמים על ידי בדיקה דיוק גבוהה. עם מדידות אלה, אחד יכול לא רק איכותית לבחון את השינויים של גרם מדרגות, אבל גם באופן כמותי לנתח את השינויים של טמפרטורה, מליחות, צפיפות. יתר על כן, ניתן פרמטרים השונויות של שכבה בעובי ואת חום שטף עבור בחיי עיר יישומים אושיאניק26,27. כמה תוצאות ניסויי נציג שמוצג ודן עם הדמויות.

בשלב 3.2, A טנק, טנק B ו למיכל עבודה מחוברים במהלך הקמת השיכוב צפיפות קווית הראשונית לטנק עבודה. על ידי חוק כלים שלובים, הנוזל במיכל A באופן אוטומטי זורם לתוך הטנק B, ואת קצב הזרימה ממיכל B לתוך הטנק עבודה זה בדיוק פעמיים ממיכל א' לתוך הטנק B, אשר עלולה לגרום הדרגתי צפיפות אנכית ליניארי של העולם! מלך נוזלים29. בשלב 5.1, המיקום של כל ממשק יכול להיות מזוהה בהתבסס על התנודות העוצמה המקסימלית המקומי של הפרופיל Equation 7 ; זה כי ישנן תנודות עוצמת אור חזקה על המיקומים של ממשקי ה-DC.

לעומת ניסויים קודמים DC בספרות, ההתקנה הנוכחית ואת שיטת יכול למדוד את פרופילי טמפרטורה, מליחות ולהקליט את התמונות נוזל-דפוס באופן סינכרוני. הרזולוציות הגיאופוליטיות והמרחביות טמפורלית גבוהים מספיק כדי ללכוד את הממשקים דק, כמו גם מבנים אחרים הסוערים בסדר. המגבלה העיקרית של שיטה זו הוא כי חילוף חום בין הפנימי לבין מחוץ למיכל עבודה לא הוקלט, אשר ישתפר עוד יותר אם שטף חום אנכי מדויק צריך להימדד.

ראוי לציין כי בניסוי זה צפיפות התחלתית ריבוד תנאי גבול יכול בקלות להיות נשלט ככל הנדרש למטרות שונות. תנאי עבודה מורכבים מסוימים גם תושג עם מעט הסתגלות, לדוגמה ריבוד לא לינארית ניתן לבנות על ידי להתכוונן על היחס של זרימה המחירים ממיכל A מיכל B וכי ממיכל B למיכל עובד בשיטות שני מיכלים29 . לכן, הוא צפוי כי הגדרת הניסוי הנוכחי ואת שיטת יכול להיות מיושם כדי לדמות כמה תופעות אושיאניק אחרים, כגון הסעה אופקית של אושיאניק, התפרצויות הידרותרמי במים עמוקים, העמקת מעורבות שכבת פני השטח וכן השפעת הצוללת גיאותרמית על זרימת האוקיינוס, וכך הלאה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי NSF הסינית מענקים (41706033, 91752108 ו- 41476167), מענקים אכ מ Grangdong (2017A030313242 ו- 2016A030311042) LTO גרנט (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

מדעי הסביבה גיליון 139 מרובדת הסעת חום נוזל דיפוזיה מבנה גרם המדרגות טכניקה שדוגרפיה Convecting שכבה ממשק
האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט
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