Modeling of salt finger convection through a fluid-saturated porous interface: Representative elementary volume scale simulation and effect of initial buoyancy ratio

机械 浮力 对流 混合(物理) 多孔介质 分层(种子) 分层流 流体力学 物理 热力学 多孔性 地质学 岩土工程 湍流 休眠 发芽 生物 植物 量子力学 种子休眠
作者
Xianfei Zhang,Lingling Wang,Hai Zhu,Cheng Zeng
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:32 (8) 被引量:12
标识
DOI:10.1063/5.0013889
摘要

Simultaneous existence of solute gradients along with temperature gradients in a double diffusive system is favorable to the onset of salt finger convection and this phenomenon has been investigated for several decades due to its efficient mixing mechanism. However, relatively few works were focused on the double diffusive process through a fluid-saturated porous interface (FPI), which could be applied in a variety of scenarios such as the directional solidification of concentrated alloys or mixing zones in coastal freshwater aquifers. In this paper, we consider the evolution of double-diffusive salt finger through FPI with a single-domain approach adopted for the solution of flow in a composite region made up of a fluid layer overlying a porous layer. Comparisons with existing numerical results show great agreement and demonstrate that flows through a fluid–porous system can be predicted with good accuracy by the proposed method. Several cases spanning a range of initial buoyancy ratio N0 from 2 to 7 are conducted to study the structure and behavior of salt finger together with key issues being focused on the effect of initial buoyancy ratio on flux variations. Differing from in stratified fluid layers, salt finger through FPI shows an asymmetric structure in which the growth rate in the fluid layer is much greater and the finger column in the porous layer presents a squarer shape. It is found that under the condition of low initial buoyancy ratios, the potential energy stored in the unstable stratification of salinity converted more into kinetic energy, which enhances the mixture of heat and masses in the vertical direction.

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