Стабильная и нестабильная стратификация

Устойчивая стратификация жидкостей возникает, когда каждый слой менее плотен, чем нижний. Нестабильная стратификация – это когда каждый слой плотнее нижнего.

Силы плавучести имеют тенденцию сохранять стабильную стратификацию; более высокие слои плавают на нижних. С другой стороны, в нестабильной стратификации силы плавучести вызывают конвекцию . Менее плотные слои поднимаются через более плотные верхние слои, а более плотные слои опускаются через менее плотные нижние слои. Расслоения могут стать более или менее устойчивыми, если слои меняют плотность. Задействованные процессы важны во многих областях науки и техники.

Дестабилизация и смешивание

Простая модель нестабильной стратификации, превращающейся в устойчивую (в несмешивающихся жидкостях, таких как масло и вода или воск и вода лавовой лампы ). Обратите внимание на шлейфы нестабильности Рэлея – Тейлора (с «грибовидными» головками) в обоих цветах и направлениях.

Стабильно-слоистый напиток из холодного молока, теплого кофе и сливок. Наименее плотный слой находится сверху. 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 внутри однородно перемешанными, но каждый слой отличается от другого. Это приводит к ступенчатым профилям физических свойств (здесь – температура и соленость; на предыдущей фотографии – цвет).

Человеческая рука нагревает воздух. Нагретый воздух находится под ненагретым воздухом, что представляет собой нестабильную стратификацию, поэтому нагретый вручную воздух поднимается, а холодный воздух опускается, вызывая конвекцию .

Стабильная стратификация может стать нестабильной, если слои изменят плотность. Это может произойти из-за внешних воздействий (например, если вода испаряется из пресноводной линзы , делая ее более соленой и плотной, или если кастрюлю или слоеный напиток нагревают снизу, делая нижний слой менее плотным). Однако это может произойти и за счет внутренней диффузии тепла (более теплый слой медленно нагревает соседний, более холодный) или других физических свойств. Это часто вызывает перемешивание на границе раздела фаз, создавая новые диффузионные слои (см. фото кофе и молока).

Иногда два физических свойства распространяются между слоями одновременно; соль и температура, например. Это может привести к образованию диффузных слоев или даже соляных пальцев , когда поверхности диффузных слоев становятся настолько волнистыми, что появляются «пальцы» слоев, тянущиеся вверх и вниз.

Не все смешивания обусловлены изменениями плотности. Другие физические силы также могут смешивать устойчиво стратифицированные слои. Морские брызги и барашки (пенящаяся бурная вода на волнах) являются примерами смеси воды с воздухом и воздуха с водой соответственно. В сильный шторм граница воздуха и воды может стать нечеткой. Некоторые из этих ветровых волн являются волнами Кельвина-Гельмгольца . ^{[ 1 ]}

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

Приложения

Планетарная наука

Когда два устойчиво стратифицированных слоя движутся относительно друг друга, волны Кельвина-Гельмгольца на границе раздела могут образовываться . Эти закономерности наблюдаются и на других планетах. ^{[ 1 ]}

Эти облака отслеживают волны Кельвина-Гельмгольца между двумя термически стратифицированными слоями атмосферы.

Расслоение обычно наблюдается в планетарных науках.

Солнечная энергия проходит в виде видимого излучения через воздух и поглощается землей, чтобы вновь излучаться в виде теплового излучения. нагреваются Таким образом, нижние слои атмосферы снизу (поглощение УФ-излучения в озоновом слое нагревает этот слой изнутри). Таким образом, наружный воздух обычно нестабильно стратифицирован и конвекционен, что дает нам ветер. Температурные инверсии — это погодные явления, которые происходят всякий раз, когда область нижних слоев атмосферы становится стабильно стратифицированной и, таким образом, перестает двигаться. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Океаны же нагреваются сверху и обычно устойчиво стратифицированы. Лишь возле полюсов опускается самая холодная и соленая вода. Глубокие океанские воды медленно нагреваются и освежаются за счет внутреннего перемешивания (форма двойной диффузии). ^{[ 4 ]}), а затем подняться обратно на поверхность.

Примеры:

Стратификация океана , образование слоев воды в зависимости от температуры и солености в океанах.
Стратификация озера , образование слоев воды в зависимости от температуры, с перемешиванием весной и осенью в сезонном климате.
Атмосферная нестабильность
Стратификация атмосферы — деление верхних слоев атмосферы Земли на устойчиво-слоистые слои.
Атмосферная циркуляция , вызванная неустойчивой стратификацией атмосферы.
Термохалинная циркуляция , циркуляция в океанах, несмотря на устойчивую стратификацию.
Стратифицированные потоки (например, поток через Гибралтарский пролив )

Инженерное дело

В инженерных приложениях стабильная стратификация или конвекция могут быть желательны, а могут и нежелательны. В любом случае ею можно намеренно манипулировать. Расслоение может сильно повлиять на смешивание жидкостей. ^{[ 5 ]} что важно во многих производственных процессах.

Теплый пол намеренно создает неустойчивую стратификацию воздуха в помещении.
Пассивное охлаждение основано на избирательном поощрении и нарушении стабильной стратификации в охлаждаемых помещениях.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Зелл, Холли; Фокс, Карен С. (30 декабря 2014 г.). «Обсерватория солнечной динамики НАСА поймала волны-серферы на Солнце» . НАСА .
^ Март, Л. (3 января 2014 г.). «Стабильно стратифицированные пограничные слои атмосферы» (PDF) . Ежегодный обзор механики жидкости . 46 (1): 23–45. Бибкод : 2014АнРФМ..46...23М . doi : 10.1146/annurev-fluid-010313-141354 .
^ «Устойчивая и неустойчивая стратификация атмосферы простыми словами» . ПРИЛОЖЕНИЕ WINDY.APP .
^ Маити, Дания; Гупта, А.С.; Бхаттачарья, С. (1 декабря 2008 г.). «Стабильная/нестабильная стратификация при терморастворной конвекции в квадратной полости». Журнал теплопередачи . 130 (12): 122001. дои : 10.1115/1.2969757 .
^ Сюй, Дуо; Чен, Цзюнь (декабрь 2016 г.). «О моделях смешения стратифицированных потоков, подверженных сопутствующей устойчивой и неустойчивой стратификации». Журнал турбулентности . 17 (12): 1087–1111. Бибкод : 2016JTurb..17.1087X . дои : 10.1080/14685248.2016.1223846 .

[sunwaves-1] Jump up to: ^а ^б Зелл, Холли; Фокс, Карен С. (30 декабря 2014 г.). «Обсерватория солнечной динамики НАСА поймала волны-серферы на Солнце» . НАСА .

[2] Март, Л. (3 января 2014 г.). «Стабильно стратифицированные пограничные слои атмосферы» (PDF) . Ежегодный обзор механики жидкости . 46 (1): 23–45. Бибкод : 2014АнРФМ..46...23М . doi : 10.1146/annurev-fluid-010313-141354 .

[3] «Устойчивая и неустойчивая стратификация атмосферы простыми словами» . ПРИЛОЖЕНИЕ WINDY.APP .

[4] Маити, Дания; Гупта, А.С.; Бхаттачарья, С. (1 декабря 2008 г.). «Стабильная/нестабильная стратификация при терморастворной конвекции в квадратной полости». Журнал теплопередачи . 130 (12): 122001. дои : 10.1115/1.2969757 .

[5] Сюй, Дуо; Чен, Цзюнь (декабрь 2016 г.). «О моделях смешения стратифицированных потоков, подверженных сопутствующей устойчивой и неустойчивой стратификации». Журнал турбулентности . 17 (12): 1087–1111. Бибкод : 2016JTurb..17.1087X . дои : 10.1080/14685248.2016.1223846 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]