Published October 1, 2023 | Version v1
Publication

Modelling and simulation of brinicle formation

  • 1. Universidad Nacional de Colombia
  • 2. Lawrence Livermore National Laboratory

Description

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 knowledge, the first complete model proposed that captures the global structure of the physical phenomenon even though it has some discrepancies, such as brine accumulation.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

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.

Translated Description (French)

Sous la banquise arctique, dans de bonnes conditions, un flux de saumure glacée s'écoule dans la mer. La saumure glacée a un point de fusion beaucoup plus bas et est plus dense que l'eau de mer normale. En conséquence, il coule tout en congelant tout ce qui l'entoure, formant un canal de glace appelé brinicle (également connu sous le nom de stalactite de glace). Dans cet article, nous développons un modèle mathématique pour ce phénomène, en supposant une symétrie cylindrique. Le fluide est considéré comme visqueux et quasi-stationnaire. Le transport de la chaleur et du sel est faiblement couplé au mouvement du fluide et est modélisé avec les équations de conservation correspondantes, tenant compte des effets diffusifs et convectifs. La discrétisation par éléments finis est utilisée pour résoudre le système couplé d'équations aux dérivées partielles. Nous constatons que le modèle peut capturer le comportement général du système physique et générer des structures de type brinicule tout en récupérant la composition de la dendrite, ce qui est une caractéristique physiquement attendue alignée avec les résultats expérimentaux précédents. Cela représente, à notre connaissance, le premier modèle complet proposé qui capture la structure globale du phénomène physique même s'il présente quelques divergences, telles que l'accumulation de saumure.

Translated Description (Spanish)

Debajo del hielo marino del Ártico, en las condiciones adecuadas, un flujo de salmuera helada desemboca en el mar. La salmuera helada tiene un punto de fusión mucho más bajo y es más densa que el agua de mar normal. Como resultado, se hunde mientras congela todo a su alrededor, formando un canal de hielo llamado brinicle (también conocido como estalactita de hielo). En este trabajo, desarrollamos un modelo matemático para este fenómeno, asumiendo la simetría cilíndrica. Se considera que el fluido es viscoso y casi estacionario. El transporte de calor y sal está débilmente acoplado al movimiento del fluido y se modela con las ecuaciones de conservación correspondientes, teniendo en cuenta los efectos difusivos y convectivos. La discretización de elementos finitos se emplea para resolver el sistema acoplado de ecuaciones diferenciales parciales. Encontramos que el modelo puede capturar el comportamiento general del sistema físico y generar estructuras similares a brinículas al mismo tiempo que recupera la composición de dendritas, que es una característica físicamente esperada alineada con los resultados experimentales anteriores. Esto representa, hasta donde sabemos, el primer modelo completo propuesto que captura la estructura global del fenómeno físico a pesar de que tiene algunas discrepancias, como la acumulación de salmuera.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نمذجة ومحاكاة تكوين اللجام
Translated title (French)
Modélisation et simulation de la formation des brinicules
Translated title (Spanish)
Modelado y simulación de la formación de brinículos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4387941139
DOI
10.1098/rsos.230268

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Colombia

References

  • https://openalex.org/W1964855981
  • https://openalex.org/W1970009422
  • https://openalex.org/W1984899867
  • https://openalex.org/W1986234848
  • https://openalex.org/W2004882910
  • https://openalex.org/W2010945250
  • https://openalex.org/W2014309791
  • https://openalex.org/W2016301170
  • https://openalex.org/W2023953613
  • https://openalex.org/W2024475791
  • https://openalex.org/W2038277310
  • https://openalex.org/W2039056822
  • https://openalex.org/W2042862454
  • https://openalex.org/W2069739846
  • https://openalex.org/W2072796855
  • https://openalex.org/W2118399656
  • https://openalex.org/W2118696315
  • https://openalex.org/W2124485294
  • https://openalex.org/W2125801376
  • https://openalex.org/W2141331848
  • https://openalex.org/W2146662575
  • https://openalex.org/W2151080396
  • https://openalex.org/W2152275551
  • https://openalex.org/W2165497284
  • https://openalex.org/W2166751342
  • https://openalex.org/W2265967450
  • https://openalex.org/W2407140397
  • https://openalex.org/W2754366807
  • https://openalex.org/W2919175534
  • https://openalex.org/W3040786754
  • https://openalex.org/W3104561969
  • https://openalex.org/W3107880782
  • https://openalex.org/W3175826733
  • https://openalex.org/W4238341011
  • https://openalex.org/W4366985487
  • https://openalex.org/W592368443