自然对流系统中海水的冻结模式

海冰在许多自然过程与人类活动中至关重要。理解海冰的起始、生长与平衡同发生于其界面与内部的丰富流体力学过程之间的动力学耦合,在从地球物理到海洋工程的诸多领域均具意义。在此,我们通过实验研究溶解有盐的水在标准自然对流系统即原型 Rayleigh-Bénard 腔中的完整冻结过程。由于糊状相的存在,所研究系统比相同条件下淡水的冻结(Wang et al. 2021c)复杂得多。我们测量了针对不同初始溶液盐度及腔体温差在动力学平衡态下的冰厚度与孔隙率。这些观测量与系统的控制参数呈非平凡关系,因其依赖于横跨腔体的热传输模式。我们在实验中辨识出 6 种可能热传输模式中的 5 种。我们强调了通过糊状冰的卤水对流以及冰下稳定层化液体中的穿透对流的发生。我们提出了一个基于液体与多孔介质中自然对流系统全局热传输已知标度关系的一维多层热通量模型。该模型在给定测得冰孔隙率时,可在统一框架下预测相应的冰厚度。