안정적이고 불안정한 계층화

Stable and unstable stratification
불안정한 층층이 안정된 층으로 변환되는 단순한 모델(기름과 물, 용암 램프의 왁스와 물과 같은 불용성 유체).Rayleigh-Taylor 불안정 플룸('머쉬룸' 헤드 포함)은 색상/방향 모두 유의하십시오.
차가운 우유, 따뜻한 커피, 크림으로 이루어진 안정적 스트레이티드 음료.가장 밀도가 낮은 층이 위에 있습니다.우유와 커피가 서서히 혼합되어 새로운 확산층을 형성하고 있으며, 우유가 따뜻해지고 커피가 계면에서 식으면서 갈색 중간 색조로 보입니다.
확산층은 내부적으로 균질하게 혼합될 수 있지만 각 층은 다음 층과 다릅니다.이를 통해 물리적 특성(여기서 온도 및 염도, 이전 사진에서는 색상)에서 계단 단계 프로파일로 이어집니다.
사람의 손난로 공기.가열된 공기는 가열되지 않은 공기 아래에 있어 성층이 불안정하기 때문에 손으로 가열된 공기는 상승하고 차가운 공기는 가라앉아 대류를 일으킨다.

유체의 안정적인 성층화는 각 층이 그 아래 층보다 밀도가 낮을 때 발생합니다.불안정한 성층화는 각 층이 그 아래 층보다 밀도가 높은 경우입니다.

부력은 안정적인 성층을 유지하는 경향이 있으며, 높은 층은 낮은 층에 떠 있습니다.반면에 불안정한 성층에서는 부력이 대류를 일으킨다.밀도가 낮은 층은 위의 밀도가 높은 층을 통해 상승하고 밀도가 낮은 층은 아래의 밀도가 낮은 층을 통해 하강합니다.층의 밀도가 변화하면 층화는 어느 정도 안정될 수 있습니다.관련된 과정은 많은 과학 및 공학 분야에서 중요하다.

파괴 및 혼합

많은 호수의 전형적인 혼합 패턴으로, 어는 지점에서는 섭씨 4도보다 물의 밀도가 낮기 때문에 발생합니다.호수 성층화는 여름과 겨울에 안정되고, 지표수가 섭씨 4도를 넘으면 봄과 가을에 불안정해진다.

층의 밀도가 변화하면 안정된 층화가 불안정해질 수 있습니다.이것은 외부의 영향으로 인해 발생할 수 있습니다(예를 들어, 물이 담수 렌즈에서 증발하여 더 짜고 밀도가 높아지거나, 냄비 또는 층이 있는 음료가 아래에서 가열되어 바닥 층의 밀도가 낮아지는 경우).단, 열의 내부 확산(온열층이 인접한 냉각층을 천천히 가열) 또는 기타 물리적 특성 때문에 발생할 수도 있습니다.이로 인해 종종 인터페이스에서 혼합이 발생하여 새로운 확산층이 형성됩니다(커피와 우유 사진 참조).

때로는 소금과 온도 등 두 가지 물리적 특성이 층 간에 동시에 확산되는 경우가 있습니다.이것은 확산층의 표면이 위아래로 뻗어나가는 층의 "손가락"이 있을 정도로 물결치게 되면 확산층이나 소금 핑거링을 형성할 수 있다.

모든 혼합이 밀도 변화에 의해 이루어지는 것은 아닙니다.다른 물리적 힘도 안정적으로 계층화된 층을 혼합할 수 있습니다.바다 스프레이와 화이트 캡(파도에 하얀 물을 뿜어내는 것)은 각각 공기 중에, 공기에 물 속에 섞이는 물의 예입니다.심한 폭풍우가 몰아치면 공기와 물의 경계가 불분명해질 수 있다.이러한 풍파 중 일부는 켈빈-헬름홀츠 [1]파동입니다.

속도차이의 크기와 층간 밀도 대비의 크기에 따라 켈빈-헬름홀츠파가 다르게 보일 수 있습니다.예를 들어, 두 개의 공기 층 또는 두 개의 물 층 사이의 밀도 차이는 훨씬 작고 층이 혼합될 수 있습니다. 흑백 모델 비디오를 참조하십시오.

적용들

행성 과학

2개의 안정된 층이 서로 상대적으로 이동하면 켈빈-헬름홀츠파가 계면에서 형성될 수 있다.이러한 패턴은 다른 [1]행성에서도 볼 수 있다.
이 구름들은 켈빈-헬름홀츠 파동을 두 개의 열층 대기의 층 사이에서 추적합니다.
지구의 암석권에는 위쪽으로의 열 흐름, 부분 대류, 그리고 금속층 코어가 포함됩니다.

성층화는 행성 과학에서 흔히 볼 수 있다.

태양 에너지는 공기를 통해 가시 방사선으로 통과하고 지면에 흡수되어 열 방사선으로 재방출된다.따라서 낮은 대기는 아래에서 가열됩니다(오존층의 UV 흡수는 내부로부터 해당 층을 가열합니다).그러므로 실외 공기는 보통 불안정하게 층화되고 대류되어 우리에게 바람을 준다.기온반전은 저층부 지역이 안정적으로 층화되면서 움직임이 [2][3]멈출 때마다 일어나는 기상 현상이다.

반면에 바다는 위에서 가열되어 보통 안정적으로 성층화된다.극지방에서만 가장 차갑고 염분이 많은 물이 가라앉는다.깊은 바닷물은 내부 혼합을 통해 천천히 따뜻해지고 신선해지며, 그리고[4] 나서 다시 수면으로 올라옵니다.

예:

공학 기술

실내 공기의 안정적인 성층화에 의해 수직 온도 구배가 발생합니다.사람으로부터 대류하여 상승하는 뜨거운 공기에 주의해 주십시오.몸의 열이 일시적으로 안정된 성층화를 방해합니다.

엔지니어링 애플리케이션에서는 안정적인 성층화 또는 대류가 바람직하거나 바람직하지 않을 수 있습니다.어느 경우든 의도적으로 조작될 수 있습니다.성층화는 유체 혼합에 강한 영향을 미칠 [5]수 있으며, 이는 많은 제조 공정에서 중요합니다.

  • 바닥 난방은 의도적으로 실내 공기의 불안정한 층화를 일으킨다.
  • 수동 냉각은 실내를 냉각하기 위해 선택적으로 안정적인 층화를 장려하고 중단시키는 데 의존합니다.

레퍼런스

  1. ^ a b Zell, Holly; Fox, Karen C. (30 December 2014). "NASA's Solar Dynamics Observatory Catches "Surfer" Waves on the Sun". NASA.
  2. ^ Mahrt, L. (3 January 2014). "Stably Stratified Atmospheric Boundary Layers" (PDF). Annual Review of Fluid Mechanics. 46 (1): 23–45. doi:10.1146/annurev-fluid-010313-141354.
  3. ^ "Stable and unstable atmospheric stratification in simple words". WINDY.APP.
  4. ^ Maiti, D. K.; Gupta, A. S.; Bhattacharyya, S. (1 December 2008). "Stable/Unstable Stratification in Thermosolutal Convection in a Square Cavity". Journal of Heat Transfer. 130 (12): 122001. doi:10.1115/1.2969757.
  5. ^ Xu, Duo; Chen, Jun (December 2016). "On the mixing models for stratified flows subjected to concomitant stable and unstable stratifications". Journal of Turbulence. 17 (12): 1087–1111. doi:10.1080/14685248.2016.1223846.