Modelling and simulation of brinicle formation ... : نمذجة ومحاكاة تكوين اللجام ...

• Main Authors: Felipe Gómez-Lozada, Carlos Andrés del Valle, Julián David Jiménez-Paz, Boyan Stefanov Lazarov, Juan Galvis
• Format: Text
• Language: English
• Published: OpenAlex 2023
• Subjects: Arctic Sea Ice Variability and Decline; Atmospheric Science; Earth and Planetary Sciences; Physical Sciences; Freeze Desalination for Water Treatment and Concentration; Mechanics of Materials; Engineering; Arctic Permafrost Dynamics and Climate Change; Freeze Desalination; Ice Morphology; Eutectic Freeze Crystallization; Mechanics; Convection; Sea ice; Brine; Discretization; Partial differential equation; Geology; FOS Earth and related environmental sciences; Physics; Meteorology; Thermodynamics; Mathematics; FOS Mathematics; Mathematical analysis; Quantum mechanics; Climate change; Ice; permafrost
• Online Access: https://dx.doi.org/10.60692/r81we-m6b96; https://gresis.osc.int//doi/10.60692/r81we-m6b96

Below the Arctic sea ice, under the right conditions, a flux of icy brine flows down into the sea. The icy brine has a much lower fusion point and is denser than normal seawater. As a result, it sinks while freezing everything around it, forming an ice channel called a brinicle (also known as ice stalactite). In this paper, we develop a mathematical model for this phenomenon, assuming cylindrical symmetry. The fluid is considered to be viscous and quasi-stationary. The heat and salt transport are weakly coupled to the fluid motion and are modelled with the corresponding conservation equations, accounting for diffusive and convective effects. Finite-element discretization is employed to solve the coupled system of partial differential equations. We find that the model can capture the general behaviour of the physical system and generate brinicle-like structures while also recovering dendrite composition, which is a physically expected feature aligned with previous experimental results. This represents, to our ... : تحت جليد البحر القطبي الشمالي، في ظل الظروف المناسبة، يتدفق تدفق من المحلول الملحي الجليدي إلى البحر. يحتوي المحلول الملحي الجليدي على نقطة انصهار أقل بكثير وهو أكثر كثافة من مياه البحر العادية. ونتيجة لذلك، تغرق أثناء تجميد كل شيء حولها، وتشكل قناة جليدية تسمى Brinicle (المعروفة أيضًا باسم Ice stalactite). في هذه الورقة، نطور نموذجًا رياضيًا لهذه الظاهرة، بافتراض التناظر الأسطواني. يعتبر السائل لزجًا وشبه ثابت. يقترن نقل الحرارة والملح بشكل ضعيف بحركة المائع ويتم نمذجته مع معادلات الحفظ المقابلة، مع مراعاة التأثيرات المنتشرة والحمل الحراري. يتم استخدام تقطيع العناصر المحدودة لحل النظام المقترن للمعادلات التفاضلية الجزئية. نجد أن النموذج يمكن أن يلتقط السلوك العام للنظام المادي ويولد هياكل شبيهة بالكبريت بينما يستعيد أيضًا تكوين الشجيرات، وهي ميزة متوقعة ماديًا تتماشى مع النتائج التجريبية السابقة. وهذا يمثل، على حد علمنا، أول نموذج كامل مقترح يجسد الهيكل العالمي للظاهرة الفيزيائية على الرغم من وجود بعض التناقضات، مثل تراكم المحلول الملحي. ...