О связи тонкоструктурного расслоения стратифицированной водной среды с вертикальным турбулентным массообменом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Описаны и проанализированы результаты лабораторного эксперимента, выполненного с целью проверки фундаментального механизма тонкоструктурного расслоения стратифицированной жидкости при ее турбулентном перемешивании. Проведена серия опытов с перемешиванием водной среды с изначально линейным вертикальным градиентом солености колеблющимися вертикальными стержнями, создающими однородное турбулентное воздействие по всей толщине водного слоя. При этом в каждом опыте выполнялись регулярные измерения профилей электропроводности (солености) и проводились расчеты вертикального потока соли (массы). Оказалось, что при достаточно большом градиенте плотности (солености) поток массы является убывающей функцией градиента плотности, а это является основным условием формирования тонкой структуры, согласно предложенному механизму. Результаты опытов подтвердили его реалистичность и реализуемость. Установлена также зависимость вертикального масштаба тонкой структуры от параметров стратификации и турбулентного воздействия.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Герасимов

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gerasimov.vv@ocean.ru
Россия, Москва

А. Г. Зацепин

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: zatsepin@ocean.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Баренблатт Г.И. Динамика турбулентных пятен и интрузии в устойчиво-стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР, ФАО. 1978. Т. 14. № 2. С. 195–206.
  2. Журбас В.М., Озмидов Р.В. (ред.). Формы тонкой термохалинной структуры океана. Каталог // Материалы океанологических исследований. Выпуск 1. М.: Межведомственный геофизический комитет при Президиуме Академии Наук СССР, 1987. 134 с.
  3. Зацепин А.Г. О коллапсе стратифицированных пятен // ДАН СССР. 1982. Т. 265. № 2. С. 460–463.
  4. Зацепин А.Г., Федоров К.Н., Воропаев С.И., Павлов А.М. Экспериментальное исследование растекания перемешанного пятна в стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР. ФАО. 1978. Т. 14. № 2. С. 234–237.
  5. Озмидов Р.В. О турбулентном обмене в устойчиво стратифицированном океане // Изв. АН СССР. Физика атм. и океана. 1965. № 8. С. 853–859.
  6. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкости. М.: Мир, 1977. 430 с.
  7. Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 184 с.
  8. Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 296 с.
  9. Balmforth N.J., Llewellyn Smith S.G., Young W.R. Dynamics of interfaces and layers in a stratified turbulent fluid // J. Fluid Mech. 1997. V. 355. P. 329–358.
  10. Barenblatt G.I., Bertsch M., Dal Passo R. et al. A mathematical model of turbulent heat and mass transfer in stably stratified shear flow // J. Fluid Mech. 1993. V. 253. P. 341–358.
  11. Dmitrenko I., Golovin P., Dehn J. et al. Influence of sea ice on under-ice mixing under stratified conditions: potential impacts on particle distribution // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1998. V. 46. № 4. P. 523–529.
  12. Park Y.-G., Whitehead J.A., Gnanadesikan A. Turbulent mixing in stratified fluids: layer formation and energetics // J. Fluid Mech. 1994. V. 279. P. 279–311.
  13. Pelegri J.L., Sangra P. A mechanism for layer formation in stratified geophysical flows // Journal of Geophysical Research. 1998. V. 103. № С13. P. 30, 679–30, 693.
  14. Phillips O.M. Turbulence in a strongly stratified fluid: Is it unstable? // Deep Sea Res. Oceanogr. Abstr. 1972. V. 19. P. 7–81.
  15. Posmentier E.S. The generation of salinity fine structure by vertical diffusion // J. Phys. Oceanogr. 1977. V. 7. P. 298–300.
  16. Radko T. Double Diffusive Convection. Cambridge University Press. 2013. 344 p. ISBN 978-05-218-8074-9.
  17. Ruddick B.R., McDougall T.J., Turner J.S. The formation of layers in a uniformly stirred density gradient // Deep-Sea Res. 1989. V. 36. P. 597–609.
  18. Thorpe S.A. Experiments on the instability of stratified shear flow: miscible fluids // J. Fluid Mech. 1971. V. 46. № 2. P. 299–319.
  19. Zatsepin A.G., Gerasimov V.V., Ostrovskii A.G. Laboratory study of turbulent mass exchange in a stratified fluid // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10. P. 756–774. https://doi.org/10.3390/jmse10060756

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 – бассейн из оргстекла с внутренним размером 36 × 13.5 × 25 см3; 2 – система решеток с вертикальными стержнями; 3 – шток, на котором закреплены решетки со стержнями; 4 – электродвигатель с эксцентриком, обеспечивающим горизонтальное колебание штока; 5 – линейно стратифицированная по солености водная среда; 6 – микродатчик электропроводности для измерения профиля солености; 7 – датчик электропроводности “Эксперт 002” в верхнем квазиоднородном слое; 8 – вертикальный лифт с электромотором для перемещения микродатчика электропроводности; PC – персональный компьютер для сбора измеряемых данных; S1 – соленость верхнего слоя, ρ(z) = β d S/dz – вертикальный градиент плотности, β – коэффициент соленостного сжатия. Круг в центре бака соответствует очертаниям плоскопараллельного пучка света, создаваемого теневым прибором.

Скачать (131KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Двухбаковая система для заливки линейно стратифицированной жидкости. 1 – правый бак с начальным раствором воды с нулевой соленостью S10 = 0, 2 – левый бак с водой c соленостью S20, 3 – электромотор, 4 – мешалка, 5 – кран с трубкой, соединяющей баки, 6 – кран с трубкой, соединяющей правый бак с бассейном.

Скачать (59KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Теневые фотографии (а–г) последовательного формирования и исчезновения ступенчатой структуры в процессе турбулентного перемешивания изначально линейно стратифицированной по солености жидкости. Рядом с фотографиями изображены соответствующие профили солености, полученные с помощью микроэлектродного датчика электропроводности. Яркие полосы – прослойки с большим градиентом плотности/солености, разделяющие слои с квазиоднородной плотностью/соленостью. Опыт при Ri0 = 13, Re = 115.

Скачать (520KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Ступенчатый профиль солености. Принцип выделения толщины верхнего перемешанного слоя, определение его толщины Н1 и толщин других квазиоднородных слоев.

Скачать (214KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость логарифма модуля потока массы Q от логарифма градиента плотности Gρ. Опыт с начальными значениями Ri0 = 13, Re = 115. Зоны, выделенные различными оттенками серого, соответствуют различному количеству высокоградиентных прослоек: 3, 2 и 1.

Скачать (465KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость градиента плотности от времени (n – порядковый номер периода вертикального прохождения точечного датчика электропроводности) в последовательно образовывавшихся высокоградиентных слоях L1, L2, L3 и средний градиент плотности L0 между приповерхностным и придонным квазиоднородными слоями.

Скачать (72KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Опыт с перемешиванием стратифицированной жидкости без образования ступенек при Ri0 = 5, Re = 115. Снимок (а) – начало перемешивания, (б) – через 30 минут, (в) – через 90 минут, (г) – через 140 минут.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость логарифма модуля потока массы Q от логарифма градиента плотности . Опыт при Ri0 = 5, Re = 96.

Скачать (177KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость толщины H промежуточных квазиоднородных слоев от отношения скорости перемешивания U к частоте Вяйсаля–Брента N в данной работе (точки, обведенные квадратами) совместно с результатами аналогичных экспериментов, выполненных ранее. Прямая линия – линейная регрессия.

Скачать (187KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024