Café Latte:侧向冷却双扩散对流中的自发分层现象
流体动力学
2023-07-19 v1 地球物理
摘要
在制作 Café Latte 时,玻璃杯中浓缩咖啡与牛奶之间会出现壮观的分层现象。Xue 等人(Nat. Commun., vol. 8, 2017, pp. 1-6)表明,浓缩咖啡的注入速度决定了咖啡-牛奶混合物的深度。一段时间后,当混合物中形成稳定层化时,该分层过程可被建模为一个具有侧冷稳定层化咖啡-牛奶混合物的双扩散对流系统。更具体地,我们对侧向冷却双扩散对流在宽广参数范围内进行了(二维)直接数值模拟,其中对流流动由侧向温度梯度驱动,同时被垂直浓度梯度所稳定。当热驱动力占优于稳定力时,流动表现为类似垂直对流,并发展出大尺度环流。然而,随着稳定力增强,会出现一种亚稳态分层状态。起初,若干垂直堆叠的对流滚胞发展出来,这些混合均匀的分层由具有大浓度梯度的锐利界面分隔。这些新生分层的初始厚度可通过平衡热驱动所做的功与将流体从其稳定层化流体中的平衡位置移出所需势能来估算。在分层状态中,我们进一步观察到连续的分层合并,最终仅剩单一对流滚胞。我们阐明了如下合并机制:随着环流减弱导致热流体在热侧壁处积聚,与更热流体相关的更大浮力最终破坏分层界面。随后两层合并为更大层,环流在合并结构中重新建立。
引用
@article{arxiv.2004.12486,
title = {Caf\'e Latte: Spontaneous layer formation in laterally cooled double diffusive convection},
author = {K. L. Chong and R. Yang and Q. Wang and R. Verzicco and D. Lohse},
journal= {arXiv preprint arXiv:2004.12486},
year = {2023}
}
备注
10 pages, 4 figures