熔化垂直冰柱在盐水中的浮力驱动流动模式

海水中盐分的存在显著影响冰的熔解速率和形貌演化。本研究通过实验室实验和直接数值模拟来研究垂直圆柱在盐水中的熔化过程。二维（2D）直接数值模拟和三维实验的热力学拉奥利数可达 $\text{Ra}_{T}= \mathcal{O}\left(10^{9}\right)$，盐力拉奥利数可达 $\text{Ra}_{S}=\mathcal{O}\left(10^{12}\right)$。对垂直冰柱进行一些三维模拟，热力学拉奥利数为 $\text{Ra}_{T}= \mathcal{O}\left(10^{5}\right)$，以确认 2D 模拟结果在定性上与 3D 模拟结果相似。平均熔解速率与环境盐度呈非单调关系。随着盐度的增加，平均熔解速率 initially 降低至热力学和盐力效应平衡的点后，再次增加。根据环境盐度，流动可分为三种模式：温度驱动流动、盐度驱动流动和热盐竞争流动。在温度驱动和竞争流动模式下，我们发现平均熔解速率遵循 $\text{Ra}_{T_d}^{1/4}$ 标度。在 contrastively，在盐度驱动流动模式下，我们看到从 $\text{Ra}_{T_d}^{1/4}$ 向 $\text{Ra}_{T_d}^{1/3}$ 标度的转变。此外，在该模式下，平均熔解速率遵循 $\text{Ra}_{S_d}^{1/3}$ 标度。冰柱在不同流动模式下发展出不同的形貌。在热盐竞争流动模式下，由于温度浮力与盐力浮力的竞争，冰柱沿其表面出现独特的 scallop（凹坑）纹理。我们观察到这些 scallop 纹理由于局部熔解速率差异而随时间向下迁移，针对这一现象提供了定性解释。