Стабильная и нестабильная стратификация - Stable and unstable stratification

Стабильно-стратифицированный напиток из холодного молока, теплого кофе и сливок. Сверху - наименее плотный слой. Молоко и кофе медленно смешиваются, образуя новые диффузионные слои, видимые в промежуточных оттенках коричневого, по мере того, как молоко нагревается, а кофе остывает на границе раздела.
Диффузионные слои могут быть перемешаны внутри однородно, но каждый слой отличается от следующего. Это приводит к ступенчатым профилям по физическим свойствам (здесь температура и соленость; на предыдущем фото цвет).
Человеческая рука греет воздух. Нагретый воздух находится под ненагретым воздухом, это нестабильная стратификация, поэтому нагретый вручную воздух поднимается вверх, а холодный - опускается, вызывая конвекция.
Простая модель перехода неустойчивой стратификации в устойчивую (в несмешиваемый жидкости, такие как масло и вода, или воск и вода лава лампа ). Примечание Неустойчивость Рэлея – Тейлора. перья (с «грибными» головками) в обоих цветах / направлениях.

Устойчивое расслоение флюидов происходит, когда каждый слой менее плотный, чем слой под ним. Неустойчивое расслоение - это когда каждый слой более плотнее, чем тот, что ниже.

Силы плавучести стремятся к сохранению устойчивой стратификации; верхние слои плавают на нижних. С другой стороны, при нестабильной стратификации силы плавучести вызывают конвекция. Менее плотные слои поднимаются через более плотные слои выше, а более плотные слои опускаются через менее плотные слои ниже. Стратификации могут стать более или менее стабильными, если слои меняют плотность. Используемые процессы важны во многих областях науки и техники.

Дестаблизация и смешивание

Типичная картина смешивания для многих озер, вызванная тем, что вода менее плотная при температуре замерзания, чем при 4 градусах Цельсия. Стратификация озера стабильна летом и зимой, становится нестабильной весной и осенью, когда поверхностные воды пересекают отметку 4 по Цельсию.

Устойчивые стратификации могут стать нестабильными, если слои меняют плотность. Это может произойти из-за внешних воздействий (например, если вода испаряется из линза пресной воды, делая его более соленым и плотным, или если кастрюлю или многослойный напиток нагревают снизу, делая нижний слой менее плотным). Однако это также может происходить из-за внутренней диффузии тепла (более теплый слой медленно нагревает соседний более холодный) или других физических свойств. Это часто вызывает смешивание на границе раздела, создавая новые диффузные слои (см. Фото кофе и молока).

Иногда два физических свойства распространяются между слоями одновременно; соль и температура, например. Это может образовывать диффузные слои или даже солёная аппликатура, когда поверхности диффузионных слоев становятся настолько волнистыми, что появляются «пальцы» слоев, тянущиеся вверх и вниз.

Не все перемешивание происходит из-за изменений плотности. Другие физические силы также могут смешивать стабильно-стратифицированные слои. Морской спрей и белокрылки (пенящиеся Whitewater на волнах) представляют собой примеры смешивания воды с воздухом и воздуха с водой соответственно. Во время сильного шторма граница воздух / вода может стать нечеткой. Что-нибудь из этого ветровые волны находятся Волны Кельвина-Гельмгольца.[1]

В зависимости от величины разницы скоростей и величины контраста плотности между слоями волны Кельвина-Гельмгольца могут выглядеть по-разному. Например, между двумя слоями воздуха или двумя слоями воды разница плотностей намного меньше, и слои смешиваются; см. черно-белое видео модели.

Приложения

Планетарная наука

Когда два стабильно-стратифицированных слоя движутся относительно друг друга, Волны Кельвина-Гельмгольца может образоваться на интерфейсе. Эти узоры можно увидеть и на других планетах.[1]
Эти облака проследить волны Кельвина-Гельмгольца между двумя термически стратифицированными слоями атмосферы.
Земли литосфера включает восходящий тепловой поток, частичная конвекция и металлопластиковый сердечник.

Стратификация обычно наблюдается в планетарных науках.

Солнечная энергия проходит через воздух в виде видимого излучения и поглощается землей, а затем переизлучается в виде теплового излучения. В нижняя атмосфера поэтому нагревается снизу (поглощение УФ-излучения в озоновый слой нагревает этот слой изнутри). Таким образом, наружный воздух обычно нестабильно расслоен и конвектируется, что дает нам ветер. Температурные инверсии являются погодным явлением, которое происходит всякий раз, когда область нижних слоев атмосферы становится стабильно стратифицированной и, таким образом, перестает двигаться.[2][3]

С другой стороны, океаны нагреваются сверху и обычно стабильно стратифицированы. Только у полюсов тонет самая холодная и соленая вода. Глубокие океанские воды медленно нагреваются и освежаются за счет внутреннего перемешивания (форма двойной диффузии[4]), а затем снова поднимитесь на поверхность.

Примеры:

Инженерное дело

Вертикальный температурный градиент вызван стабильным расслоением воздуха внутри помещения. Обратите внимание на горячий воздух, поднимающийся от человека конвективно; bodyheat временно нарушает устойчивое расслоение.

В инженерных приложениях стабильная стратификация или конвекция могут быть или нежелательны. В любом случае им можно намеренно манипулировать. Стратификация может сильно повлиять на смешивание жидкостей,[5] что важно во многих производственных процессах.

  • Пол с подогревом сознательно создает неустойчивое расслоение воздуха в помещении.
  • Пассивное охлаждение полагается на выборочное поощрение и нарушение стабильной стратификации для охлаждения помещений.

Рекомендации

  1. ^ а б Зелл, Холли; Фокс, Карен С. (30 декабря 2014 г.). "Обсерватория солнечной динамики НАСА ловит" серферские "волны на Солнце". НАСА.
  2. ^ Махрт, Л. (3 января 2014 г.). «Стабильно стратифицированные пограничные слои атмосферы» (PDF). Ежегодный обзор гидромеханики. 46 (1): 23–45. Дои:10.1146 / аннурьев-жидкость-010313-141354.
  3. ^ «Стабильная и нестабильная стратификация атмосферы простыми словами». WINDY.APP.
  4. ^ Maiti, D. K .; Gupta, A. S .; Бхаттачарья, С. (1 декабря 2008 г.). «Стабильная / нестабильная стратификация в термосолюбивной конвекции в квадратной полости». Журнал теплопередачи. 130 (12): 122001. Дои:10.1115/1.2969757.
  5. ^ Сюй, Дуэт; Чен, июнь (декабрь 2016 г.). «О моделях смешения стратифицированных течений, подверженных одновременно устойчивой и неустойчивой стратификации». Журнал турбулентности. 17 (12): 1087–1111. Дои:10.1080/14685248.2016.1223846.