Quest'opera è stata sostenuta da sovvenzioni NSF cinese (41706033, 91752108 e 41476167), sovvenzioni Grangdong NSF (2017A030313242 e 2016A030311042) e grant LTO (LTOZZ1801).

1. lavoro serbatoio
Nota: L'esperimento è effettuato in una vasca rettangolare. Il serbatoio comprende piastre superiore e inferiore e una parete laterale. Le piastre superiore e inferiore sono in rame con superfici elettrolitica. C'è una camera dell'acqua all'interno della piastra superiore. Un rilievo di riscaldamento elettrico è inserito nella piastra inferiore. La parete laterale è in Plexiglas trasparente. La dimensione del serbatoio è Lx = 257 mm (lunghezza), Ly = 65 mm (larghezza) e Lz = 257 mm (altezza). Lo spessore del fianco è di 9,5 mm.
<ol><li>Pulire le piastre di rame e la parete laterale in Plexiglas con cura con acqua distillata.</li>
	<li>Montare il serbatoio con viti per assicurarsi che il serbatoio è a tenuta stagna.</li>
	<li>Impostare una struttura di sostegno in acciaio inox (altezza 150 mm) su un tavolo ottico e fissare il serbatoio sopra il telaio con una lastra termoisolante in mezzo, che limita la dispersione di calore dal serbatoio di lavoro alla tabella.</li>
	<li>Inserire tre termistori (stabilità di temperatura di 0,01 ° C) in ogni piatto e collegarli a un multimetro digitale. Nota che questi termistori vengono utilizzati per monitorare le temperature delle piastre superiore e inferiore.</li>
	<li>Inserire una Micro-scala conducibilità e temperatura dello strumento (MSCTI) all'interno del serbatoio e collegarlo ad un'acquisizione di dati multifunzione (MDA). Difficoltà il MSCTI ad una fase di traduzione di precisione motorizzate (MPTS). Nota: Nota che il MSCTI può essere spostato su e giù per il movimento verticale, così che si ottengono i profili di temperatura e salinità del fluido di lavoro. Qui, il MSCTI ha stabilità di temperatura di 0,01 ° C e salinità stabilità dell'1%. Il MPTS ha precisione posizionale di 0,005 mm.</li>
	<li>Impostare i parametri in programmi software corrispondente il multimetro digitale e l'acquisizione dati multifunzione, come frequenze di campionamento, canali di acquisizione di dati e percorsi di archiviazione. Qui, impostare le frequenze di campionamento del multimetro digitale e l'acquisizione dati multifunzione come 1.0 e 128 Hz, rispettivamente.</li>
	<li>Impostare i parametri di movimento con il programma della MPTS, compresa la posizione iniziale, le posizioni più basse e più alte, lo spostamento di velocità e accelerazione, della MSCTI. Qui, impostare la velocità e l'accelerazione commovente come 1 mm/s e 0,5 mm/s2e le posizioni più basse e più alte come 20 e 220 mm sopra la piastra inferiore. Questo porta a un periodo di tempo di MPTS di 404 s per una misurazione su-giù. Impostare la posizione iniziale della MSCTI sulla posizione più bassa.</li>
	<li>Mantenere la temperatura quasi costante intorno ai 24 ° C con due condizionatori d'aria ad alta potenza (potenza di lavoro di 3000 W).</li>
</ol>2. ottico apparato
Nota: Durante l'esperimento, l'evoluzione della scala DC dovrebbe essere monitorato con la tecnica shadowgraph, che si compie con le procedure che seguono
<ol><li>Attaccare un pezzo di carta da ricalco (25,7 cm x 25,7 cm) all'esterno del serbatoio.</li>
	<li>Utilizzare una lampada a fascio stretto LED come la sorgente luminosa. Posizionare la fonte di luce circa 5 m dal lato opposto del serbatoio, in modo che una luce quasi collimata può essere generata. Si noti che durante l'esperimento la DC a strati struttura fluida sono illuminato su carta da lucido a causa del cambiamento di densità (corrispondente alla variazione dell'indice di rifrazione) del fluido.</li>
	<li>Posto una videocamera ad alta velocità sullo stesso lato della carta da lucido. È circa 1 m di distanza il serbatoio affinché le strutture stratificate con il serbatoio di full-size possono essere registrate.</li>
	<li>Impostare la frequenza di campionamento della videocamera. Si noti che la frequenza di campionamento deve essere corretta catturare i dettagli delle evoluzioni scala. Qui, la frequenza di campionamento della videocamera è 25 Hz.</li>
	<li>Accendere la lampada e la videocamera e modificare leggermente le loro pozioni e distanze, per garantire immagini chiare e che possono essere catturate dalla videocamera.</li>
</ol>3. il fluido di lavoro
<ol><li>Preparare le acque saline e fresche in due serbatoi.<ol>
<li>Unire due vasche rettangolari identiche (serbatoio A e serbatoio B) da un tubo flessibile (10 cm di lunghezza, 6 mm di diametro interno e diametro esterno 10 mm) dalla parte inferiore di ciascuna di esse.</li>
		<li>Riempimento serbatoio A con acqua salina, la concentrazione di massa di sale (cioè, salinità) è di 60 g/kg in questo esempio.</li>
		<li>Riempire il serbatoio B con un volume uguale di acqua fresca de-gasato e utilizzare un agitatore magnetico elettrico per omogeneizzare continuamente il fluido.</li>
		<li>Mantenere la temperatura iniziale del fluido all'interno di entrambi i serbatoi la stessa come la temperatura ambiente (24 ° C).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Stabilire la stratificazione di densità lineare nel serbatoio di lavoro.<ol>
<li>Utilizzare il metodo doppio serbatoio29 per stabilire una stratificazione lineare iniziale dell'acqua salina nel serbatoio di lavoro.</li>
		<li>Posizionare il serbatoio A e B alla stessa altezza, che è 30 cm più alto rispetto al serbatoio di lavoro. Unisciti a serbatoio B e il serbatoio di lavoro con un altro tubo flessibile (50 cm di lunghezza, 2 mm di diametro interno e diametro esterno 5 mm) da loro fondo. A causa della differenza di pressione del fluido in questi due serbatoi, il fluido nel serbatoio B può essere iniettato lentamente nel serbatoio di lavoro.</li>
		<li>Controllare la velocità di flusso con una pompa peristaltica a 0,45 mL/s. nota tutto il tempo di rifornimento di acqua per il serbatoio di lavoro è circa 3 h. calcola la salinità nella parte inferiore del serbatoio di lavoro basata su29 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq1.jpg">(1) dove SA, V e V0 sono salinità del serbatoio A, il volume finale del liquido del serbatoio di lavoro e il volume iniziale del liquido del serbatoio A (o B), rispettivamente. Utilizzando la salinità nella parte inferiore SB e l'acqua fresca nella parte superiore, è la frequenza dell'assetto iniziale stratificazione N0 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq2.jpg">(2) dove g è l'accelerazione gravitazionale,0 ρ è la densità di riferimento e β è il coefficiente di contrazione di salinità. Nota il N0 viene calcolato come 1.14 rad/s in questo esempio.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. esecuzione dell'esperimento
<ol><li>Impostare le condizioni al contorno per il serbatoio di lavoro.<ol>
<li>Collegare la camera dell'acqua della piastra superiore di un circolatore refrigerato con otto tubi di morbide plastica uniformemente distribuiti (150 cm di lunghezza, 10 mm di diametro interno e diametro esterno di 15 mm). Si noti che la temperatura della piastra superiore dipende dalla temperatura del circolatore refrigerato. Impostare la temperatura della piastra superiore per essere lo stesso come la temperatura ambiente (24 ° C).</li>
		<li>Collegare il rilievo di riscaldamento all'interno della piastra di fondo per un rifornimento di corrente continua. Nota un flusso di calore costante è previsto per il fluido di lavoro durante questo esperimento, che è calcolato come <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq3.jpg">(3) dove U, R e A sono la tensione fornita, resistenza elettrica e area efficace di riscaldamento elettrico pad, rispettivamente. In questo esempio, la resistenza e la zona efficace sono 44,12 ohm e 1,89 × 10-2 m2. Impostare la tensione fornita come 60 V, in modo che il calore totale di flusso Fh è 4317 W/m2.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Accendere la videocamera per registrare il modello di flusso.</li>
	<li>Accendere il multimetro digitale, acquisizione dati multifunzione per monitorare la temperatura delle piastre superiore e inferiore e la temperatura e la salinità del liquido utilizzando il MSCTI.</li>
	<li>Accendere il MPTS per spostare il MSCTI su e giù per ottenere i profili di temperatura e salinità del fluido di lavoro.</li>
	<li>Accendere il circolatore refrigerato e l'alimentatore di corrente continua a raggiungere le condizioni di limite superiore e inferiore del fluido di lavoro. Nota: Nota che l'intero esperimento sperimenteranno la generazione, sviluppo, Unione e la scomparsa della scala DC, e durerà circa 5 ore. Dopo la scomparsa di tutte le scale di DC, spegnere l'alimentazione di corrente continua, circolatore refrigerato, MPTS, multimetro digitale, acquisizione dati multifunzione e videocamera a sua volta.</li>
</ol>5. elaborazione dei dati
<ol><li>Immagine di Shadowgraph<ol>
<li>Utilizzare un programma Matlab per convertire il video registrato dalla videocamera per immagini successive per ulteriori analisi. Adattare queste immagini per accentuare il modello di flusso all'interno del serbatoio. Impostare l'intensità di immagine digitale come ho (x, z), dove (x, z) indica le coordinate orizzontali e verticali con origine nell'angolo inferiore sinistro dell'immagine. Si noti che (x, z) variano in (0, 1) con livello di grigio di 256. Normalizzare ogni immagine di un'immagine di sfondo come30 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq4.jpg">(4) dove <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq5.jpg"> è l'intensità media immagine finita 10 immagini scattate prima del raffreddamento e riscaldamento viene applicato, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq6.jpg"> denota l'intensità della prima l'immagine dith . In questo modo, i difetti fissi nelle immagini possono essere rimosso. Al fine di esaminare l'evoluzione temporale del modello DC, ogni immagine può essere convertito in un profilo di fluttuazione di singola intensità verticale, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, calcolando la fluttuazione di intensità immagine (cioè, root-mean-square di intensità) lungo il direzione orizzontale <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>. Tracciare i profili di fluttuazione di intensità <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> delle immagini successive insieme aumentando il tempo di mostrare le evoluzioni delle scale DC.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Profili di temperatura e salinità<ol>
<li>Nota in questo esperimento i profili verticali di temperatura e salinità del fluido di lavoro sono misurati mediante la MSCTI di movimento su-giù. Calcolare l'altezza temporale, h (t), di MSCTI con la media di velocità w, tempo t, la partenza tempo t0 (corrispondente alla posizione più bassa), il più basso posizione hL in movimento e la più alta posizione hH, come <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq8.jpg">(5) dove <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq9.jpg"> è il MSCTI si spostano periodo da più basso (più alto) al più alto (più basso) posizione, n e δ sono le parti integrali e frazionarie, rispettivamente. Quindi calcolare il temporale altezza h (t) come <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq10.jpg">(6) Nota nell'equazione (6), se n è pari, il MSCTI si sta muovendo; altrimenti il MSCTI è in movimento verso il basso. Tracciare la temperatura di tempo serie T(t) e la salinità s (t) in termini di altezza h (t) per ottenere i profili verticali di temperatura e salinità.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Buoyancy Effects in Fluids. , 367 (1973).</li><li>Schmitt, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+diffusion+in+oceanography.">Double diffusion in oceanography.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).</li><li>Turner, J. S., Gustafson, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+motions+and+compositional+gradients+produced+by+crystallization+or+melting+at+vertical+boundaries.">Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).</li><li>Robb, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to Ore-forming Processes. , 373 (2004).</li><li>Chabrier, G., Baraffe, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+in+giant+(exo)planets:+a+new+perspective.">Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective.</a> The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).</li><li>Langlois, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buoyancy-driven+flows+in+crystal-growth+melts.">Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).</li><li>Chen, C. -. F., Johnson, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection:+A+report+on+an+engineering+foundation+conference.">Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference.</a> Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).</li><li>Griffiths, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layered+double-diffusive+convection+in+porous+media.">Layered double-diffusive convection in porous media.</a> Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).</li><li>You, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+global+ocean+climatological+atlas+of+the+Turner+angle:+implications+for+double-diffusion+and+water-mass+structure.">A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure.</a> Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).</li><li>Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+diffusive+regime+of+double+diffusive+convection.">The diffusive regime of double diffusive convection.</a> Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).</li><li>Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice-Tethered+Profiler+observations+of+the+double-diffusive+staircase+in+the+Canada+Basin+thermocline.">Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).</li><li>Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+double+diffusive+convection+steps+and+heat+budget+in+the+deep+Arctic+Ocean.">Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+melting+of+ice+in+the+arctic+ocean:+The+influence+of+double-diffusive+transport+of+heat+from+below.">The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below.</a> Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).</li><li>Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+stratification+in+the+Arctic+Ocean.">Thermal stratification in the Arctic Ocean.</a> Science. 166 (3903), 373-374 (1969).</li><li>Padman, L., Dillon, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+fluxes+through+the+Beaufort+Sea+thermohaline+staircase.">Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).</li><li>Sirevaag, A., Fer, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+transfer+in+the+Arctic+Ocean:+The+role+of+double-diffusive+mixing.">Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).</li><li>Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observational+validation+of+the+diffusive+convection+flux+laws+in+the+Amundsen+Basin,+Arctic+Ocean.">Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).</li><li>Bebieva, Y., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+examination+of+double-diffusive+processes+in+a+mesoscale+eddy+in+the+Arctic+Ocean.">An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).</li><li>Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+variability+of+the+Arctic+Ocean's+double-diffusive+staircase.">Spatial variability of the Arctic Ocean's double-diffusive staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).</li><li>Schmid, M., Busbridge, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection+in+Lake+Kivu.">Double-diffusive convection in Lake Kivu.</a> Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).</li><li>Sommer, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+structure+and+flux+laws+in+a+natural+double-diffusive+layering.">Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).</li><li>Carpenter, J. R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulations+of+a+double-diffusive+interface+in+the+diffusive+convection+regime.">Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime.</a> Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).</li><li>Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+through+diffusive+interfaces.">Heat transport through diffusive interfaces.</a> Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).</li><li>Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+recipes.+Part+II:+Layer-merging+events.">Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).</li><li>Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=+Double+diffusion+in+saline+Powell+Lake,+British+Columbia."> Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).</li><li>Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+experiments+on+diffusive+convection+layer+thickness+and+its+oceanographic+implications.">Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).</li><li>Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+parametrization+for+heat+transport+through+diffusive+convection+interface.">New parametrization for heat transport through diffusive convection interface.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+coupled+turbulent+transports+of+salt+and+heat+across+a+sharp+density+interface.">The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).</li><li>Hill, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=General+density+gradients+in+general+domains:+the+&amp;#34;two-tank&amp;#34;+method+revisited.">General density gradients in general domains: the &amp;#34;two-tank&amp;#34; method revisited.</a> Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).</li><li>Zhou, S. Q., Ahlers, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+chaos+in+electroconvection+of+a+homeotropically+aligned+nematic+liquid+crystal.">Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal.</a> Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

In questo articolo è descritto un dettagliato protocollo sperimentale per simulare le strutture di scala termoalina DC in una vasca rettangolare. Una stratificazione di densità lineare iniziale del fluido di lavoro è costruita utilizzando il metodo di due bombole. La piastra superiore è mantenuta a una temperatura costante e quello inferiore al flusso di calore costante. Il processo di intera evoluzione della scala DC, tra cui la sua generazione, sviluppo, Unione e scomparsa, sono visualizzati con la tecnica di shado...

Doppia convezione diffusivo (DDC) è uno dei più importanti processi di miscelazione verticali. Si verifica quando la distribuzione di densità verticale della colonna d'acqua stratificato è controllata da due o più sfumature di componenti scalari di direzioni opposte, dove i componenti sono distintamente differenti diffusività molecolare1. Si presenta ampiamente in Oceanografia2, atmosfera3, geologia4, astrofisica5, scienza dei materiali6, metallurgia7e ingegneria architettonica8. DDC è presente in quasi la metà dell'oceano globale, e ha importanti effetti sul oceanici multi-scala processi e cambiamenti climatici anche9.
Ci sono due modalità principali per DDC: sale dito (SF) e diffusivo convezione (DC). SF si verifica quando un acqua calda salata acqua più fresco, più fresco nell'ambiente stratificato si sovrapponga a massa. Quando l'acqua calda e salata si trova sotto l'acqua fredda e fresca, si formerà la DC. La caratteristica notevole del controller di dominio è che i profili verticali della temperatura, salinità e densità sono scala-come, composta da alternant omogenea convettivo strati e interfacce sottile, fortemente stratificate. DC si verifica principalmente negli oceani di alta latitudine e alcuni laghi salati interni, quali l'Artico e Antartico oceani, il mare di Okhotsk, il mar rosso e lago Kivu African10. Nell'Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiore e profondo11,12. Ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell'oceano superiore e possono influenzare significativamente il ghiaccio-fusione, che recentemente suscita sempre più interesse in Oceanografia comunità13.
La struttura di scala DC fu scoperto nell'Oceano Artico nel 196914. Dopo quello, paolieri & Dillon15, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18e Shibley et al. 19 misurato le scale DC in diversi bacini dell'oceano artico, compresa la verticale e orizzontale scale dello strato convettiva e interfaccia, la profondità e lo spessore totale della scala, verticale trasferimento di calore, i processi di DC in mesoscala eddy e i cambiamenti temporali e spaziali delle strutture scala. Schmid et al. 20 e Sommer et al. 21 osservato le scale DC utilizzando un profiler di microstruttura nel lago Kivu. Hanno riportato le caratteristiche della struttura principale e flussi di calore di DC e rispetto i flussi di calore misurato con la formula parametrica esistente. Con miglioramento della velocità di elaborazione del computer, recentemente sono state fatte simulazioni numeriche della DC, ad esempio, per esaminare l'interfaccia struttura e instabilità, trasferimento di calore attraverso interfaccia, evento fusione di strato e così via22, 23 , 24.
Osservazione del campo ha notevolmente migliorato la comprensione dell'oceano DC per gli oceanografi, ma la misura è fortemente limitata dalla strumenti e ambienti di indeterminato fluire oceanica. Ad esempio, l'interfaccia di DC ha una scala verticale estremamente piccola, più sottile di 0.1 m in alcuni laghi e oceani25, e sono necessari alcuni strumenti speciali ad alta risoluzione. L'esperimento di laboratorio Mostra i suoi vantaggi unici in esplorare le leggi fondamentali di dinamiche e termodinamiche della DC. Con un esperimento di laboratorio, uno può osservare l'evoluzione della scala DC, misurare la temperatura e la salinità e proporre alcuni parametrizzazioni per l'applicazioni oceanic26,27. Inoltre, in un esperimento di laboratorio, i parametri controllati e condizioni prontamente sono regolate come richiesto. Ad esempio, Turner prima simulato la scala DC in laboratorio nel 1965 e proposto una parametrizzazione del trasferimento di calore attraverso l'interfaccia diffusivo, che è stato frequentemente aggiornato e ampiamente utilizzato nelle osservazioni oceaniche in situ 28 .
In questa carta, un protocollo sperimentale dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in stratificato acqua salina riscaldata dal basso. La temperatura e la salinità sono misurate da uno strumento di micro-scala, così come le scale DC monitorate con la tecnica di shadowgraph. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio. Alterando le fasi iniziali e condizioni al contorno, la messa a punto sperimentale presente e il metodo può essere utilizzati per simulare altri fenomeni oceanici, come la convezione oceanica orizzontale, d'altura eruzioni idrotermali, strato superficiale misto approfondimento, l'effetto di sottomarino geotermica sulla circolazione oceanica e così via.

<table><tbody><tr><td>Rectangular tank</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Electric heating pad</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Distilled water</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Optical table</td><td>Liansheng Inc.</td><td>MRT-P/B</td><td></td></tr><tr><td>Thermiostors</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Digital multimeter</td><td>Keithley Inc</td><td>Model 2700</td><td></td></tr><tr><td>Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI)</td><td>PME. Inc.</td><td>Model 125</td><td></td></tr><tr><td>Multifunction data acquisition (MDA)</td><td>MCC. Inc.</td><td>USB-2048</td><td></td></tr><tr><td>Motorized precision translation stage (MPTS)</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LTS300</td><td></td></tr><tr><td>Tracing paper</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>LED lamp</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Camcorder</td><td>Sony Inc.</td><td>XDR-XR550</td><td></td></tr><tr><td>De-gassed fresh water</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Saline water</td><td></td><td></td><td>Custom made part</td></tr><tr><td>Flexible tube</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Electric magnetic stirrer&amp;nbsp;</td><td>Meiyingpu Inc.</td><td>MYP2011-100</td><td></td></tr><tr><td>Peristaltic pump</td><td>Zhisun Inc.</td><td>DDBT-201</td><td></td></tr><tr><td>Refrigerated circulator</td><td>Polyscience Inc.</td><td>Model 9702</td><td></td></tr><tr><td>Plastic soft tube</td><td></td><td></td><td>Multiple suppliers</td></tr><tr><td>Direct-current power supply</td><td>GE Inc.</td><td>GPS-3030</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks Inc.</td><td>R2012a</td><td></td></tr></tbody></table>

evolution of staircase structures in diffusive convection

Diffusivo convezione (DC) si verifica quando la verticale stratificata densità è controllata da due opposti scalari sfumature che hanno distintamente differente diffusività molecolare e i gradienti di scalare più grandi e più piccoli-diffusività sono positivi e negativi contributi per la distribuzione di densità, rispettivamente. La DC si verifica in molti processi naturali e applicazioni di ingegneria, per esempio, oceanografia, astrofisica e metallurgia. Negli oceani, una delle caratteristiche più notevoli di DC è che i profili verticali di temperatura e salinità sono scala-come la struttura, composta di passaggi consecutivi con spessi strati omogenei convettiva e interfacce relativamente sottile e ad alto gradiente. Le scale di DC sono state osservate in molti oceani, soprattutto nell'Artico e Antartico oceani e svolgono un ruolo importante sulla circolazione oceanica e cambiamento climatico. Nell'Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiori e profondi. Il processo di DC ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell'oceano superiore e può influenzare significativamente il ghiaccio-fusione superficiale. Rispetto alle limitazioni di osservazioni sul campo, esperimento di laboratorio Mostra relativo vantaggio unico di esaminare in modo efficace i processi di dinamici e termodinamici in DC, perché le condizioni al contorno e i parametri controllati possono essere strettamente registrati. Qui, un protocollo dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della struttura di scala DC, tra cui la sua generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare riempita con acqua salina stratificato. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio.

Figura 1 Mostra lo schema dell'apparato sperimentale. Suoi componenti sono descritti nel protocollo. Le parti principali sono mostrate in Figura 1a e il serbatoio di lavoro dettagliato è mostrato in Figura 1b. La figura 2 Mostra i cambiamenti di temperatura nella parte inferiore (T,b, la curva rossa) e piastre superiore (T,t, la curva nera). È indicato che la temperatura delle du...

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Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

Convezione diffusivo (DC) si verifica ampiamente nei naturali processi e applicazioni ingegneristiche, caratterizzate da una serie di scale con strati omogenei convettiva e interfacce stratificate. Una procedura sperimentale è descritta per simulare il processo di evoluzione della struttura scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare.

Evoluzione delle strutture di scala in convezione diffusivo

Diffusive convection (DC) occurs when the vertical stratified density is controlled by two opposing scalar gradients that have distinctly different ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Environment

6.4K Views.  Chinese Academy of Sciences. Convezione diffusivo (DC) si verifica ampiamente nei naturali processi e applicazioni ingegneristiche, caratterizzate da una serie di scale con strati omogenei convettiva e interfacce stratificate. Una procedura sperimentale è descritta per simulare il processo di evoluzione della struttura scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in una vasca rettangolare.

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Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed that, under the proper conditions, ice can be produced when water is introduced to a bath of cold brine. To make ice form, in addition to having the brine and water mix, the rate of heat transfer must bypass that of mass transfer. When water is introduced in the form of tiny droplets to the brine surface, the mode of heat and mass transfer is by diffusion. The buoyancy stops water from mixing with the brine underneath, but as the ice grows thicker, it slows down the rate of heat transfer, making ice more difficult to grow as a result. When water is introduced inside the brine in the form of a flow, a number of factors are found to influence how much ice can form. Brine temperature and concentration, which are the driving forces of heat and mass transfer, respectively, can affect the water-to-ice conversion ratio; lower bath temperatures and brine concentrations encourage more ice to form. The flow rheology, which can directly affect both the heat and mass transfer coefficients, is also a key factor. In addition, the flow rheology changes the area of contact of the flow with the bulk fluid.

Here, we present a protocol to demonstrate the generation of ice when water is introduced to a cold bath of brine, as a secondary refrigerant, at a range of temperatures well below the freezing point of water. It can be used as an alternative way of producing ice for industry.

Generazione di ghiaccio e il calore e Trasferimento di Massa fenomeni di acqua L&#39;introduzione di un bagno freddo di salamoia

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

Ricerca

Ingegneria

Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and tortuosity). Secondary flow structures are vortical flow patterns that occur in curved arteries due to the combined action of centrifugal forces, adverse pressure gradients and inflow characteristics. Such flow morphologies are greatly affected by pulsatility and multiple harmonics of physiological inflow conditions and vary greatly in size-strength-shape characteristics compared to non-physiological (steady and oscillatory) flows 1 - 7.
Secondary flow structures may ultimately influence the wall shear stress and exposure time of blood-borne particles toward progression of atherosclerosis, restenosis, sensitization of platelets and thrombosis 4 - 6, 8 - 13. Therefore, the ability to detect and characterize these structures under laboratory-controlled conditions is precursor to further clinical investigations.
A common surgical treatment to atherosclerosis is stent implantation, to open up stenosed arteries for unobstructed blood flow. But the concomitant flow perturbations due to stent installations result in multi-scale secondary flow morphologies 4 - 6. Progressively higher order complexities such as asymmetry and loss in coherence can be induced by ensuing stent failures vis-&#224;-vis those under unperturbed flows 5. These stent failures have been classified as &#34;Types I-to-IV&#34; based on failure considerations and clinical severity 14.
This study presents a protocol for the experimental investigation of the complex secondary flow structures due to complete transverse stent fracture and linear displacement of fractured parts (&#34;Type IV&#34;) in a curved artery model. The experimental method involves the implementation of particle image velocimetry (2C-2D PIV) techniques with an archetypal carotid artery inflow waveform, a refractive index matched blood-analog working fluid for phase-averaged measurements 15 - 18. Quantitative identification of secondary flow structures was achieved using concepts of flow physics, critical point theory and a novel wavelet transform algorithm applied to experimental PIV data 5, 6, 19 - 26.

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to "Type IV" failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant "Type IV" stent failures.

Indagine sperimentale di strutture flusso secondario a valle di una mancata Modello Tipo IV stent in una sezione di prova a 180 ° curvo Artery

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and ...

Bioingegneria

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of first injecting fluorescent dye directly into a pipe filled with distilled water and allowing it to diffuse across the cross-section of the pipe to obtain a uniformly distributed initial condition. Following this period, the laminar flow is activated with a programmable syringe pump to observe the competition of advection and diffusion of the tracer through the pipe. Asymmetries in the tracer distribution are studied and correlations between the pipe cross-section and the shape of the distribution is shown: thin channels (aspect ratio &#60;&#60; 1) produce tracers arriving with sharp fronts and tapering tails (front-loaded distributions), while thick channels (aspect ratio ~1) present the opposite behavior (back-loaded distributions). The experimental procedure is applied to capillary tubes of various geometries and is particularly relevant to microfluidic applications by dynamical similarity.

A protocol for the study of the diffusion of passive tracers in laminar pressure-driven flow is presented. The procedure is applicable to various capillary pipe geometries.

La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

Simulazione di camini idrotermali della Terra primordiale in un ambiente a gradiente termico

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Ambiente

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Stampa timbro scalabile e fabbricazione delle superfici Hemiwicking

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary convection in an annular liquid pool is one of the 19 scientific experimental projects on the SJ-10 recoverable satellite. Presented is a design for a payload for space experimental study on thermocapillary convection that includes the experimental model, measurement system, and control system. The specifics for the construction of an experimental model of an annular liquid pool with variable volume ratios is provided. The fluid temperatures are recorded by six thermocouples with a high sensitivity of 0.05 &#176;C at different points. The temperature distributions on the liquid free surface are captured by means of an infrared thermal camera. The free surface deformation is detected by a displacement sensor with a high accuracy of 1 &#181;m. The experimental process is fully automated. The research is focused on thermocapillary oscillation phenomena on the liquid-free surface and convective pattern transitions through analyses of experimental data and images. This research will be helpful to understand the mechanism of thermocapillary convection and will offer further insights into the nonlinear characteristics, flow instability, and bifurcation transitions of thermocapillary convection.

A protocol for the space payload design, the space experiment on thermocapillary convection, and analyses of experimental data and images are presented in this paper.

Esperimento spazio convezione termocapillare sul satellite recuperabile SJ-10

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary ...

Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed experimental data regarding free surface vortices are lacking, particularly regarding the turbulence at the interface. The present paper reports on a special type of free surface vortex first proposed by Walter Schauberger in the 1960s that has an oxygen volumetric mass transfer coefficient exceeding the value of similar systems. This special type of vortex forms in a hyperbolic funnel. Different stable regimes can be stabilized with different hydraulic characteristics. Other advantages of this technology are its energy efficiency, simple design, and scalability. The flow in this hyperbolic funnel is characterized by strong turbulence and an increased surface area of the air-water interface. The local pressure strongly varies along the surface, resulting in a pronounced wavey air-water boundary layer. Due to the helical flow, these perturbations move inward, pulling the boundary layer with them. The resultant pressure gradient draws a certain air volume into the water vortex. The construction of the basic hyperbolic funnel setup and operational examples, including high-speed visualization for three different stable regimes, are presented in this work.

This paper describes how three different water vortex regimes in a hyperbolic Schauberger funnel can be created, their most important characteristics, and how associated parameters such as the oxygen transfer rates can be calculated.

Preparazione di vortici d'acqua iperbolici a superficie libera

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed ...

Flow Visualization in a Water Tunnel: Observing the Leading-edge Vortex Over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The delta wing, shown in Figure 1D, is a popular design in high-speed airplanes due to its superb performance in transonic and supersonic flight regimes. This type of wing has a small aspect ratio and high sweep angle, which reduces drag at high subsonic, transonic and supersonic flight regimes. The aspect ratio is defined as the wing span divided by the average chord <img align="middle" src="/files/ftp_upload/10459/10459eq1a.jpg" />.
An important advantage of the delta wing is its high stall angle. The stall of a delta wing is delayed compared to the stall of a high aspect ratio wing. This is because the lift of a delta wing is enhanced by the leading-edge vortex over the wing.
An effective way to observe this vortex flow phenomenon and study the vortex breakdown in a delta wing is by visualizing the flow in a water tunnel. By injecting dye in the flow surrounding a model from dye ports on the leading-edge, the vortex development and breakdown can be observed and its position measured. The data can also be used to estimate the stall angle.
<img src="/files/ftp_upload/10459/10459fig1.jpg" />
Figure 1. Typical wing planform shapes: A) Rectangular, with constant chord along span, B) elliptical, C) tapered, with variable chord along the span, and D) delta wing, an aft-swept wing with zero taper ratio.

Flow in a Water Tunnel: Leading-edge Vortex over a Delta Wing

Visualizzazione del flusso in un tunnel d'acqua: osservazione del vortice di estremità su un'ala delta

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The ...

Didattica

JoVE Science Education

Ingegneria aeronautica

Steady, Laminar Flow Between Parallel Plates

Understanding steady, laminar flow between parallel plates is essential for analyzing and designing flow in narrow rectangular channels, commonly found in various water conveyance and drainage systems. The Navier-Stokes equations govern fluid motion and are generally challenging to solve due to their nonlinearity. However, simplifications are possible in certain cases, like the steady laminar flow between parallel plates. For this scenario, we assume steady, incompressible, laminar flow.
Considering two horizontal plates aligned along the x-axis and spaced a distance &#39;2h&#39; apart, with the y-axis perpendicular to the plates, fluid motion is assumed to be parallel. Here, the continuity equation indicates no change in velocity along the x-axis, and the Navier-Stokes equations reduce as follows:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
The equations in the y and z directions show no pressure gradient along these axes, indicating that pressure varies hydrostatically in the y-direction, allowing integration to yield:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 12px;" />
For parallel plates with a pressure gradient along the x-axis, the equation simplifies:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_3.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
By integrating twice and applying boundary conditions (u = 0 at y = +h and y = -h), we obtain:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/18063/18063_Equation_4.svg" style="text-align: center; height: 30px;" />
This expression reveals that the velocity profile across the gap between the plates is parabolic, with maximum velocity at y = 0, midway between the plates. The volumetric flow rate through a unit width of the plates is obtained by integrating the velocity profile across the gap.
Understanding laminar flow between parallel plates has practical applications in groundwater flow, wastewater treatment, and lubrication. For instance, this model can approximate flow in soil layers, where water moves between soil particles like flow between plates. Knowing the flow rate and velocity distribution helps engineers design efficient drainage systems and predict groundwater movement.

Flusso laminare costante tra piastre parallele

Steady, laminar flow between two parallel plates describes fluid movement in a narrow, confined channel, often used to model simple fluid systems.
For ...

JoVE Core

Civil Engineering

Unit 1

Differential Analysis of Fluid Flow

KEY TERMS AND CONCEPTS

Steady, Laminar Flow in Circular Tubes

Hagen-Poiseuille flow describes a viscous fluid&#39;s steady, incompressible flow through a cylindrical tube with a constant radius R. This flow profile is often applied to understand fluid transport in narrow channels, such as capillaries. It serves as a foundational example of laminar flow. In this model, cylindrical coordinates (r,&#952;,z) are used to describe the radial (r), angular (&#952;), and axial (z) dimensions within the tube. For Hagen-Poiseuille flow, the velocity profile is purely axial, meaning the velocity vector points only along the z-axis and varies solely with the radial distance r from the center of the tube.
The governing equations for fluid motion, the Navier-Stokes equations, simplify under these conditions. Without angular or radial velocity components, the axial velocity vz(r) emerges as a function of r alone. Solving the reduced Navier-Stokes equations yields a parabolic velocity profile:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 1.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
This profile demonstrates that viscous drag decreases the fluid velocity from the maximum at the center to zero at the tube wall. This zero velocity at the boundary, known as the no-slip condition, results from the friction between the fluid and the tube wall. Consequently, the flow is laminar, with fluid particles moving in parallel layers without lateral mixing.
Integrating the velocity profile over the cross-sectional area of the tube yields the volumetric flow rate Q, known as Poiseuille&#39;s law:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 2.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
Where &#916;P is the pressure difference across the length L &#160;of the tube, and &#956; is the fluid&#39;s dynamic viscosity. This relation shows that Q is highly sensitive to the tube&#39;s radius, increasing with the fourth power of R. It follows that even a slight increase in radius significantly boosts the flow rate, a principle critical in fluid transport applications.
From Poiseuille&#39;s law, the mean velocity V of the fluid can be expressed as:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/18065/18065_Equation 3.svg" style="text-align: center; height: 27px;" />
This average velocity is precisely half of the maximum velocity at the tube&#39;s center, confirming the parabolic velocity distribution and demonstrating the predictable, layered nature of laminar flow in a cylindrical tube.

Flusso laminare costante in tubi circolari

Consider steady, incompressible flow through a straight cylindrical tube of constant radius R, known as Hagen&#8211;Poiseuille flow.
The cylindrical ...