淡水与盐水环境中漂浮冰柱的融化

我们通过实验研究了漂浮冰柱的融化过程。实验在水箱中进行，冰柱半径在 5 cm 到 12 cm 之间，水平漂浮，轴线垂直于重力方向。水箱中的水处于室温，盐度范围为 0 g/L 至 35 g/L。这些条件对应的瑞利数范围为 $10^5 \lesssim \mathrm{Ra} \lesssim 10^9$。通过使用 H$_2$O-D$_2$O 混合物制成的冰，改变了相对密度从而改变漂浮行为。此外，我们还探索了双层稳定分层。我们研究了冰柱横截面的形态演化，并结合其与对流的相互作用解释观测结果。冰柱仅在淡水中发生倾覆，而在盐水环境中不倾覆。这种行为可由浮力和阻力施加的力矩平衡来解释，该平衡随冰柱融化和旋转而变化。我们将倾覆后冰柱的振荡运动建模为阻尼非线性振子。冰柱的下行羽流遵循线源羽流的预期标度律。羽流的雷诺数随瑞利数在两个区域内标度变化：$\mathrm{Re} \propto \mathrm{Ra}^{1/2}$（当 $\mathrm{Ra} < O(10^7)$）和 $\mathrm{Re} \propto \mathrm{Ra}^{1/3}$（当 $\mathrm{Ra} > O(10^7)$），传热（以努塞尔数无量纲化）标度为 $\mathrm{Nu} \propto \mathrm{Ra}^{1/3}$。尽管加盐显著改变了溶质、热和动量边界层，这些标度关系不依赖于初始尺寸或水盐度。虽然实验与真实冰山存在重要差异，但我们的结果可定性地关联到峡湾和孤立冰山周围发生的自然现象。