Stabilní a nestabilní stratifikace - Stable and unstable stratification

Stabilně rozvrstvený nápoj studeného mléka, teplé kávy a smetany. Nejméně hustá vrstva je nahoře. Mléko a káva se pomalu mísí a vytvářejí nové difuzní vrstvy, které jsou viditelné v přechodových odstínech hnědé, jak se mléko ohřívá a káva se ochladí na rozhraní.
Difúzní vrstvy mohou být interně homogenně smíchány, ale s každou vrstvou odlišnou od další. To vede k profilům schodů ve fyzikálních vlastnostech (zde teplota a slanost; na předchozí fotografii barva).
Lidská ruka ohřívá vzduch. Ohřátý vzduch je pod nevyhřátým vzduchem, nestabilním rozvrstvením, takže ručně ohřívaný vzduch stoupá a chladný vzduch klesá, což proudění.
Jednoduchý model nestabilní stratifikace konvertující na stabilní (v nemísitelný kapaliny, jako je olej a voda, nebo vosk a voda z lávová lampa ). Poznámka Rayleigh – Taylorova nestabilita chocholy (s hlavami „hub“) v obou barvách / směrech.

Stabilní stratifikace tekutin nastává, když je každá vrstva méně hustá než vrstva pod ní. Nestabilní stratifikace je, když je každá vrstva více hustý než ten pod ním.

Vztlakové síly mají tendenci zachovávat stabilní stratifikaci; vyšší vrstvy se vznášejí na nižších. V nestabilní stratifikaci naopak působí vztlakové síly proudění. Méně husté vrstvy stoupají skrz hustší vrstvy výše a hustší vrstvy klesají skrz méně husté vrstvy níže. Stratifikace se mohou stát víceméně stabilními, pokud vrstvy změní hustotu. Zahrnuté procesy jsou důležité v mnoha vědních a technických oborech.

Destabilizace a míchání

Typický vzor míchání pro mnoho jezer, způsobený skutečností, že voda je v bodě mrazu méně hustá než při 4 stupních Celsia. Stratifikace jezera je stabilní v létě i v zimě, nestabilní na jaře a na podzim, když povrchové vody překročí hranici 4 Celsia.

Stabilní stratifikace mohou být nestabilní, pokud vrstvy změní hustotu. K tomu může dojít v důsledku vnějších vlivů (například pokud se voda odpaří z a sladkovodní čočka, takže je slanější a hustší, nebo pokud se hrnec nebo vrstvený nápoj ohřívá zespodu, takže spodní vrstva je méně hustá). Může se to však stát také v důsledku vnitřní difúze tepla (teplejší vrstva pomalu zahřívá sousední chladnější) nebo jiných fyzikálních vlastností. To často způsobuje míchání na rozhraní a vytváření nových difuzních vrstev (viz fotografie kávy a mléka).

Někdy mezi vrstvami současně difundují dvě fyzikální vlastnosti; například sůl a teplota. To může tvořit difuzní vrstvy nebo dokonce sůl prstoklad, když se povrchy difuzních vrstev natolik zvlní, že jsou „prsty“ vrstev sahajících nahoru a dolů.

Ne všechno míchání je poháněno změnami hustoty. Stabilní vrstvené vrstvy mohou míchat i jiné fyzické síly. Mořský sprej a whitecaps (pěnění bílá Voda na vlnách) jsou příklady vody smíchané se vzduchem a vzduchu do vody. V prudké bouři může hranice vzduch / voda zůstat nejasná. Některé z těchto větrné vlny jsou Kelvin-Helmholtzovy vlny.[1]

V závislosti na velikosti rozdílu rychlostí a velikosti kontrastu hustoty mezi vrstvami mohou Kelvin-Helmholtzovy vlny vypadat odlišně. Například mezi dvěma vrstvami vzduchu nebo dvěma vrstvami vody je rozdíl hustoty mnohem menší a vrstvy jsou mísitelné; viz černobílé modelové video.

Aplikace

Planetární věda

Když se dvě stabilně stratifikované vrstvy pohybují vůči sobě navzájem, Kelvin-Helmholtzovy vlny se mohou tvořit na rozhraní. Tyto vzory jsou také vidět na jiných planetách.[1]
Tyto mraky sledujte Kelvin-Helmholtzovy vlny mezi dvěma tepelně stratifikovanými vrstvami atmosféry.
Země litosféra zahrnuje nahoru tok tepla, částečná konvekce a jádro z kovové vrstvy.

Stratifikace je běžně vidět v planetárních vědách.

Sluneční energie prochází jako viditelné záření vzduchem a je absorbována zemí, aby byla znovu emitována jako tepelné záření. The nižší atmosféra se proto zahřívá zespodu (UV absorpce v ozónová vrstva ohřívá tuto vrstvu zevnitř). Venkovní vzduch je tak obvykle nestabilně rozvrstvený a konvekční, což nám dává vítr. Teplotní inverze jsou povětrnostní jevy, které se stávají, kdykoli se oblast spodní atmosféry stabilně stratifikuje a přestane se tak pohybovat.[2][3]

Oceány jsou naproti tomu vyhřívané shora a obvykle jsou stabilně rozvrstvené. Pouze v blízkosti pólů klesá nejchladnější a nejslavnější voda. Vody hlubokého oceánu se pomalu ohřívají a osvěžují vnitřním mícháním (forma dvojité difúze[4]), a poté stoupat zpět na povrch.

Příklady:

Inženýrství

Příčinou vertikálního teplotního gradientu je stabilní vrstvení vzduchu v místnosti. Všimněte si, že horký vzduch stoupá konvekčně od osoby; bodyheat dočasně narušuje stabilní stratifikaci.

Ve strojírenských aplikacích může být stabilní vrstvení nebo konvekce žádoucí. V obou případech to může být záměrně manipulováno. Stratifikace může silně ovlivnit směšování tekutin,[5] což je důležité v mnoha výrobních procesech.

  • Podlahové topení záměrně vytváří nestabilní stratifikaci vzduchu v místnosti.
  • Pasivní chlazení spoléhá na selektivní podporu a narušení stabilního rozvrstvení do chladných místností.

Reference

  1. ^ A b Zell, Holly; Fox, Karen C. (30. prosince 2014). „Observatoř sluneční dynamiky NASA zachycuje„ surfaře “„ vlny na slunci “. NASA.
  2. ^ Mahrt, L. (3. ledna 2014). "Stabilně stratifikované atmosférické mezní vrstvy" (PDF). Roční přehled mechaniky tekutin. 46 (1): 23–45. doi:10.1146 / annurev-fluid-010313-141354.
  3. ^ "Stabilní a nestabilní atmosférická stratifikace jednoduchými slovy". WINDY.APP.
  4. ^ Maiti, D. K .; Gupta, A. S .; Bhattacharyya, S. (1. prosince 2008). "Stabilní / nestabilní stratifikace v termosolutální konvekci ve čtvercové dutině". Journal of Heat Transfer. 130 (12): 122001. doi:10.1115/1.2969757.
  5. ^ Xu, Duo; Chen, červen (prosinec 2016). "Na směšovacích modelech pro stratifikované toky vystavené současně stabilním a nestabilním stratifikacím". Journal of Turbulence. 17 (12): 1087–1111. doi:10.1080/14685248.2016.1223846.