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Theory and Laboratory Observations of Naled Ice Growth

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

G. A. Schohl
Affiliation:
Iowa Institute of Hydraulic Research, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Iowa, Iowa City, Iowa 52242, U.S.A
R. Ettema
Affiliation:
Iowa Institute of Hydraulic Research, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Iowa, Iowa City, Iowa 52242, U.S.A
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Based on observations of naleds (also called aufeis or icings) grown in a refrigerated laboratory flume, a detailed, composite description of the processes associated with naled ice growth is presented. A spread length is derived that represents a mass balance between the water supplied to a naled’s surface and the ice that freezes on to the surface. Herein, this spread length is termed an equilibrium length. Guided by this concept of equilibrium length and the laboratory data, length- and time-scales applicable to the growth of two-dimensional naleds are proposed. These scales proved useful for normalizing the times and streamwise lengths that correspond to distinct phases of naled ice growth. It is observed that, even in a laboratory flume, naleds spread and thicken in a complex, layer-by-layer manner.

To the best of the authors’ knowledge, this is the first reported laboratory study on naled ice growth. The descriptions and concepts presented herein should be useful to engineers concerned with the effects of naleds on engineering works, and of interest to those who are planning experiments on naleds.

Résumé

Résumé

En se basant sur des observations de glaçages (aussi appelés aufeis ou icings) qui croisent sur les tuyaux dans un laboratoire réfrigéré, on présente une description détaillée de leur processus de développement. On en déduit une longueur de développement qui représente un bilan de masse entre l’eau fournie à leur surface et la glace qui y gèle. C’est pourquoi cette longueur correspond à une longueur d’équilibre. Guidés par ce concept de longueur d’équilibre et par les données expérimentales, on propose une longueur et des échelles de temps pour la croissance bidimentionnelle des glaçages. Ces échelles se sont révélées utile dans la normalisation du temps et des longueurs d’application qui définissent les différentes phases de croissance du glaçage. L’observation montre que, même sur les tuyaux de chambre froide, le glaçage se développe d’une façon complexe, couche par couche.

A notre connaissance, c’est la première fois que sont décrites les études de laboratoire concernant la croissance du glaçage. Ces descriptions et concepts peuvent être utiles aux ingénieurs qui ont à faire avec les effets de glaçage dans leur domaine, ainsi que pour ceux qui projettent des expériences sur le glaçage.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Auf der Grundlage von Beobachtungen an Aufeis, gezogen in einem gekühlten Laborgerinne, wird eine genaue und vollstăndige Beschreibung der Prozesse, die mit dem Wachstum von Aufeis verbunden sind, gegeben. Es wird eine Ausbreitungstänge hergeleitet, die einen Massenausgleich zwischen dem Wasser, das einer Aufeisoberfläche zugeführt wird, und dem Eis, das an der Oberfläche anfriert, darstellt. Deshalb wird diese Ausbreitungslänge als Gleichgewichtslänge bezeichnet. Im Hinblick auf dieses Konzept der Gleichgewichtslänge und die Labordaten werden Längen-und Zeitskalen vorgeschlagen, die sich auf das Wachstum zweidimensionalen Aufeises anwenden lassen. Diese Skalen erweisen sich als nützlich für die Normalisierung der Zeiten und Stromlängen, die verschiedenen Phasen des Aufeiswachstums entsprechen. Die Beobachtungen zeigen, dass Aufeis selbst in einem Laborgerinne sich auf eine komplexe, schichtweise Art ausbreitet und verdickt.

Soweit der Autor dies beurteilen kann, ist dies der erste Bericht über Laborstudien des Aufeiswachstums. Die dargebotenen Beschreibungen und Konzepte sollten für Ingenieure, die sich mit den Wirkungen von Aufeis auf Ingenieurbauten befassen, nützlich und für solche, die Versuche mit Aufeis planen, von Interesse sein.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1.Schematic of simplified, two-dimensional naled ice growth in the refrigerated flume.

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Fig. 2.Conditions that can lead to the development of naleds (adapted from Carey, 1973). (a) River naled; (b) Ground naled.

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Fig. 3.Naled on a small river near Fairbanks, Alaska (from Carey, 1973). (a) Summer view; (b) Winter view (bridge railing is visible to left of tractor).

Figure 3

Fig. 4.Temperature profiles and heat-flux components for naled ice growth.

Figure 4

Fig. 5.Details of refrigerated, tilting flume.

Figure 5

Table I.Experimental Variables

Figure 6

Fig. 6.Temporal development of naled ice slush. (a) A few relatively small ice platelets; (b) An increasing number of larger ice platelets; (c) Finally, a frozen surface over the slush.

Figure 7

Fig. 7.Growth of a two-dimensional naled.

Figure 8

Fig. 8.Views of a naled growing in the refrigerated flume. (a) Two-dimensional naled; (b) Uneven surface freezing.

Figure 9

Fig. 9.Ice laminations in naled ice. (a) Adjacent solid layers of ice in a piece of naled ice; (b) Alternating layers of solid and slush ice.