On the relation of fine layering of a stratified water environment with vertical turbulent mass transfer

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of a laboratory experiment performed to test the fundamental mechanism of fine layering of a stratified fluid during turbulent impact are described and analyzed. A series of experimental runs were carried out with stirring of an aquatic environment with an initially linear vertical salinity gradient using oscillating vertical rods, creating a uniform turbulent impact throughout the entire thickness of the water column. At the same time, in each run regular measurements of electrical conductivity (salinity) profiles were fulfilled and calculations of the vertical salt flux (mass) were carried out. It turned out that in case of a sufficiently large density (salinity) gradient the mass flux is a decreasing function of the density gradient, and this is the main condition for the formation of a fine layering, according to the proposed mechanism. The experimental results confirmed its feasibility. The dependence of the vertical scale of the fine structure on the parameters of stratification and turbulent impact has also been established.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. V. Gerasimov

Shirsov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gerasimov.vv@ocean.ru
Russian Federation, Moscow

A. G. Zatsepin

Shirsov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences

Email: zatsepin@ocean.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Баренблатт Г.И. Динамика турбулентных пятен и интрузии в устойчиво-стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР, ФАО. 1978. Т. 14. № 2. С. 195–206.
  2. Журбас В.М., Озмидов Р.В. (ред.). Формы тонкой термохалинной структуры океана. Каталог // Материалы океанологических исследований. Выпуск 1. М.: Межведомственный геофизический комитет при Президиуме Академии Наук СССР, 1987. 134 с.
  3. Зацепин А.Г. О коллапсе стратифицированных пятен // ДАН СССР. 1982. Т. 265. № 2. С. 460–463.
  4. Зацепин А.Г., Федоров К.Н., Воропаев С.И., Павлов А.М. Экспериментальное исследование растекания перемешанного пятна в стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР. ФАО. 1978. Т. 14. № 2. С. 234–237.
  5. Озмидов Р.В. О турбулентном обмене в устойчиво стратифицированном океане // Изв. АН СССР. Физика атм. и океана. 1965. № 8. С. 853–859.
  6. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкости. М.: Мир, 1977. 430 с.
  7. Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 184 с.
  8. Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 296 с.
  9. Balmforth N.J., Llewellyn Smith S.G., Young W.R. Dynamics of interfaces and layers in a stratified turbulent fluid // J. Fluid Mech. 1997. V. 355. P. 329–358.
  10. Barenblatt G.I., Bertsch M., Dal Passo R. et al. A mathematical model of turbulent heat and mass transfer in stably stratified shear flow // J. Fluid Mech. 1993. V. 253. P. 341–358.
  11. Dmitrenko I., Golovin P., Dehn J. et al. Influence of sea ice on under-ice mixing under stratified conditions: potential impacts on particle distribution // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1998. V. 46. № 4. P. 523–529.
  12. Park Y.-G., Whitehead J.A., Gnanadesikan A. Turbulent mixing in stratified fluids: layer formation and energetics // J. Fluid Mech. 1994. V. 279. P. 279–311.
  13. Pelegri J.L., Sangra P. A mechanism for layer formation in stratified geophysical flows // Journal of Geophysical Research. 1998. V. 103. № С13. P. 30, 679–30, 693.
  14. Phillips O.M. Turbulence in a strongly stratified fluid: Is it unstable? // Deep Sea Res. Oceanogr. Abstr. 1972. V. 19. P. 7–81.
  15. Posmentier E.S. The generation of salinity fine structure by vertical diffusion // J. Phys. Oceanogr. 1977. V. 7. P. 298–300.
  16. Radko T. Double Diffusive Convection. Cambridge University Press. 2013. 344 p. ISBN 978-05-218-8074-9.
  17. Ruddick B.R., McDougall T.J., Turner J.S. The formation of layers in a uniformly stirred density gradient // Deep-Sea Res. 1989. V. 36. P. 597–609.
  18. Thorpe S.A. Experiments on the instability of stratified shear flow: miscible fluids // J. Fluid Mech. 1971. V. 46. № 2. P. 299–319.
  19. Zatsepin A.G., Gerasimov V.V., Ostrovskii A.G. Laboratory study of turbulent mass exchange in a stratified fluid // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10. P. 756–774. https://doi.org/10.3390/jmse10060756

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup. 1 – organic glass pool with internal dimensions of 36 × 13.5 × 25 cm3; 2 – system of grids with vertical rods; 3 – rod on which the grids with rods are fixed; 4 – electric motor with an eccentric providing horizontal oscillation of the rod; 5 – aquatic environment linearly stratified by salinity; 6 – electrical conductivity microsensor for measuring the salinity profile; 7 – Expert 002 electrical conductivity sensor in the upper quasi-homogeneous layer; 8 – vertical elevator with an electric motor for moving the conductivity microsensor; PC – personal computer for collecting the measured data; S1 – salinity of the upper layer, ρ(z) = β d S/dz – vertical density gradient, β – salinity compression coefficient. The circle in the center of the tank corresponds to the outlines of the plane-parallel beam of light created by the shadow device.

Download (131KB)
3. Fig. 2. Two-tank system for filling with linearly stratified liquid. 1 – right tank with initial solution of water with zero salinity S10 = 0, 2 – left tank with water with salinity S20, 3 – electric motor, 4 – mixer, 5 – tap with tube connecting tanks, 6 – tap with tube connecting right tank with pool.

Download (59KB)
4. Fig. 3. Shadow photographs (a–d) of the successive formation and disappearance of a step structure during turbulent mixing of a liquid initially linearly stratified by salinity. The corresponding salinity profiles obtained using a microelectrode conductivity sensor are shown next to the photographs. Bright bands are layers with a large density/salinity gradient separating layers with quasi-homogeneous density/salinity. Experiment at Ri0 = 13, Re = 115.

Download (520KB)
5. Fig. 4. Stepped salinity profile. The principle of identifying the thickness of the upper mixed layer, determining its thickness H1 and the thicknesses of other quasi-homogeneous layers.

Download (214KB)
6. Fig. 5. Dependence of the logarithm of the mass flux modulus Q on the logarithm of the density gradient Gρ. Experiment with initial values ​​Ri0 = 13, Re = 115. Zones highlighted in different shades of gray correspond to different numbers of high-gradient layers: 3, 2, and 1.

Download (465KB)
7. Fig. 6. Dependence of the density gradient on time (n is the serial number of the period of vertical passage of the point conductivity sensor) in the successively formed high-gradient layers L1, L2, L3 and the average density gradient L0 between the near-surface and bottom quasi-homogeneous layers.

Download (72KB)
8. Fig. 7. Experiment with mixing of stratified liquid without formation of steps at Ri0 = 5, Re = 115. Photo (a) – start of mixing, (b) – after 30 minutes, (c) – after 90 minutes, (d) – after 140 minutes.

Download (1MB)
9. Fig. 8. Dependence of the logarithm of the mass flux modulus Q on the logarithm of the density gradient . Experiment at Ri0 = 5, Re = 96.

Download (177KB)
10. Fig. 9. Dependence of the thickness H of the intermediate quasi-homogeneous layers on the ratio of the mixing speed U to the Väisälä–Brünt frequency N in this work (points circled by squares) together with the results of similar experiments performed earlier. The straight line is a linear regression.

Download (187KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».