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. Сопутствующие 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 «грибообразными» 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 внутри могут быть 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 приводит к перемешиванию 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 диффузионных слоев или даже соляных пальцев , когда поверхности диффузионных 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 погодное явление, которое происходит 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

^ Перейти обратно: ^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] Перейти обратно: ^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 ]