Oldott anyag koncentrációja

A pórusvízben oldott anyag, legyen az szennyező anyag, oldott ásvány, széndioxid, vagy a legáltalánosabban előforduló valamilyen típusú só, önmagában is okozhatja szabadkonvekció kialakulását. Ilyen például a sós tavak környezete, ahol az erőteljes párolgás következtében a tó vizének sókoncentrációja, így sűrűsége megnő. Amennyiben a mederfenék nem teljesen impermeábilis, a sűrű víz lefelé szivárog a mederfenéken keresztül, míg a tó környezetében enyhe felfelé történő szivárgás lép fel.

Az alábbi modellben (Elder-probléma) a fizikai probléma hasonló. A modelldoboz tetején az oldott anyag koncentrációja (vagy rövidebben hívhatjuk sókoncentrációnak) nagy, míg a modell alján zérus. Az áramlásra jellemző dimenziótlan Rayleigh-szám leírja az áramlás hevességét, mely – többek között – arányos a közeg permeabilitásával, a folyadék sűrűségével, a réteg vastagságával, és inverz módon arányos a pórusvíz viszkozitásával vagy a diffúziós állandóval. Az alkalmazott modellparaméterek esetén a kritikus Rayleigh-szám értéke 4π2 (≈39,5), mely alatt nem alakul ki áramlás, ekkor a felszíni sós víz csupán diffúzióval terjed lefelé. A kritikus Raylegh-szám felett stacionárius áramlás formálódik, a sós és a kevésbé sós pórusvíz konvekciós cellákba rendeződve cirkulál (1. animáció).

Amennyiben a Rayleigh-szám értéke hozzávetőlegesen egy nagyságrenddel meghaladja a kritikus értéket, úgy az áramlás időfüggővé válik (2. animáció).

A réteg dőlése befolyásolja a kialakuló áramlás jellegét. Megállapítható, hogy dőlt rétegben nem létezik kritikus Rayleigh-szám, azaz tetszőlegesen kicsiny koncentrációkülönbség esetén is konvekció alakul ki. Ha a rétegdőlés kicsi és a Rayleigh-szám nagy úgy multicellás áramlási kép jön létre, míg kis Rayleigh-szám esetén és/vagy nagy rétegdőlés mellett egycellás áramlási rendszer formálódik (3. animáció). Az átmenet a két áramlási jelleg között függ a Rayleigh-szám és a rétegdőlés értékétől.

Ra=39

Ra=50

Ra=200

1. animáció Oldott anyag koncentrációja (c) horizontális, homogén, izotróp porózus közegben különböző Rayleigh-számok mellett. A kritikus Rayleigh-számnál kiseb érték esetén nem alakul ki áramlás, afelett stacionárius áramlás fejlődik.

2. animáció Oldott anyag okozta konvekció horizontális, homogén, izotróp porózus közegben Ra=1000 esetén.

3. animáció Oldott anyag okozta konvekció dőlt, homogén, izotróp porózus közegben Ra=100 esetén.

A rétegdőlés mértéke 10o, 20o és 40o.