由冻结河流诱导的冰结构形貌

我们研究了河流在倾斜冷底板上结冰并形成三维冰结构的固化过程。采用受控的水力和热 setup，结合时空相位移描绘和红外测热，表征了冰的瞬态演化及最终形貌。我们指出，典型实验经历三个阶段：形成稳定河流的直线冰脊、流动失稳及横向偏移导致冰结构快速横向扩散，以及冰块逐渐变厚和平整。跨越广泛的流速、倾角和热条件，最终形貌包含上游三角形横向包络，随后在底板边缘到达后形成近似恒定宽度的下游区域。红外测量显示，河流在底板上的滞留时间随方位角服从高斯分布，表明结构中心区域被访问频率远高于横向边缘。聚焦于实验结束时高度已收敛的区域，我们构建了一个二维理论模型，耦合了河流几何的水动力学模型与固液相热传导。 在大Péclet数极限下，模型预测沿流动方向的稳态冰高度呈指数增长，并与实验高度场良好吻合。进一步表明，稳态高度轮廓与非均匀滞留时间分布的组合控制了冰横截面的角向收敛。