Summary
Bu el yazması su dalgalar küçük ölçekli bir tesiste sürekli ve kararsız Rüzgar zorlayarak heyecanlı deneyler üzerinden güvenilir istatistiksel parametreleri almak sağlanır tamamen bilgisayar kontrollü bir yordam açıklanır.
Abstract
Bu el yazması su dalgaları zamana bağımlı ve sürekli rüzgar zorlayarak heyecanlı zamansal ve mekansal evrim çeşitli kantitatif bilgi almak sağlanır deneysel bir işlem açıklanır. Kapasite türü dalga ölçer ve lazer eğim ölçer (LSG) ani su yüzey kotu ve anlık yüzey yamaç boyunca test bölümü rüzgar dalga tesisin yerlerden, iki bileşenden ölçmek için kullanılır. Bilgisayar kontrollü üfleyici hava akımı ve suyun içinde belgili tanımlık tank olan oranı zaman içinde değişebilir sağlar. Mevcut deneylerde, Rüzgar hızı testi bölümünde başlangıçta hızla diğerlerinden ayarlanmış değere artar. Bu daha sonra sürekli için öngörülen süre tutulur; son olarak, hava akımı kapamak aşağı. Her deneysel çalışması başında su yüzeyi sakindir ve Rüzgar yok. Körük işlemi aynı anda tüm sensörler tarafından sağlanan verileri edinimi ile bir bilgisayar tarafından başlatılan; içinde belgili tanımlık tank dalgalar tam çürüme kadar veri toplama devam eder. Kantitatif ilk geliştirme aşamasına zamanı rüzgar dalgaları varyasyon açıklayan istatistiksel olarak güvenilir ensemble ortalama karakteristik parametrelerin belirlenmesi aynı zorlayan koşullar altında gerçekleştirilen birden çok bağımsız çalıştırma izin bir işlev getirme. Yordamı da zamanla, Rüzgar getirme bir fonksiyonu olarak kapatılmadan bir kez kayma evrim sürekli rüzgar zorlama altında dalga alanının yanı sıra dalgalar çürüme karakterize sağlar.
Introduction
Eski zamanlardan beri bilinen dalgalar su yüzeyleri üzerinde rüzgar tarafından heyecanlı mısın olmuştur. Bu süreci yöneten fiziksel mekanizma şimdiki anlayış çok tatmin edici. Ancak onların güvenilir deneysel doğrulama henüz kullanılabilir değil, çok sayıda teorileri rüzgar dalga üretimi açıklamak çalışırken yıl1,2,3,4üzerinde önerilmiştir. Okyanusun rastgele Rüzgar dalgaların ölçümleri hızlı bir şekilde olduğu gibi büyüklüğü de yönde değişebilir öngörülemeyen rüzgar nedeniyle son derece zor. Laboratuvar deneyleri uzun süreli ve tekrarlanabilir ölçümler etkinleştirmek kontrol edilebilir koşulları avantajına sahip.
Laboratuvar ortamında zorlama sürekli rüzgar altında Rüzgar-dalgalar uzayda gelişmeye. Erken laboratuvar deneyleri sürekli zorlama altında dalgalar üzerinde yirmi yıl önce gerçekleştirilen anlık yüzey yükseklik ölçüleri5,6,7,8' e sınırlıydı. Daha yeni çalışmalar da ani su yüzey eğim açısı, LSG9,10gibi ölçmek için çeşitli optik teknikler istihdam. Bu ölçümler kimileri rüzgar dalga alanlarının üç boyutlu yapısı hakkında Nitel bilgi sınırlı izin. Sahada yapılan deneyler olduğu gibi Rüzgar zorlama kararsız, ne zaman, sadece uzayda ama bu sürede de istatistiksel parametreleri elde edilen dalga alanın değişken olduğundan ek karmaşıklığı su dalgaları uyarma sorun Rüzgar tarafından tanıtıldı. Defa Saat-bağımlı zorlama altında nitelik ve nicelik dalga evrim kalıpları açıklamak için yapılan girişimleri sadece kısmen başarılı11,12,13,14 olduğunu , 15 , 16. uyarma için neden olabilir farklı makul fiziksel mekanizmaları göreli katkısını ve büyüme dalgalar Rüzgar eylem nedeniyle büyük ölçüde bilinmeyen kalır.
Deneysel tesis rüzgar dalga alan özellikleri her iki sabit veya kararsız Rüzgar zorlama altında varyasyonu doğru ve çeşitli istatistiksel bilgi birikimi etkinleştirme amacı ile tasarlanmıştır. İki önemli faktörler bu ayrıntılı çalışmalar taşıyan kolaylaştırdı. İlk olarak, zaman ve mekan içinde nispeten kısa karakteristik evrim tesis sonuçlarında mütevazı boyutunu ölçekler. İkinci olarak, Bütün deneyin tamamen böylece çeşitli deneysel koşullarda deneysel çalışır performansını otomatik olarak ve hemen hemen insan müdahalesi olmadan etkinleştirme bir bilgisayar tarafından kontrol edilir. Bu deneysel set-up dalgalar diğerlerinden itici Rüzgar tarafından heyecan üzerinde deneyler yapmak çok önemli öneme sahip bulunuyor.
Kayma büyüme sabit zorlama altında Rüzgar-dalgaların tesisimizde Rüzgar hızları17bir dizi için çalışılmıştır. Sonuç olarak bitki19tarafından sunulan mil18 teorisi dayalı büyüme hızı tahminleri ile karşılaştırıldı. Karşılaştırma deneysel sonuçlar özellikle teorik Öngörüler farklı saptandı. Ek önemli parametreler de içinde elde edilen17, ortalama basınç düşüşü test bölümü, hem de mutlak değerler ve karakteristik statik basınç dalgalanmaları aşamaları gibi vardı. Hava-su arabirimi kesme stres Rüzgar ve dalgalar17,19arasında momentum ve enerji transferi karakterizasyonu için önemlidir. Bu nedenle, Logaritmik sınır tabaka ve hava akımı dalgalar çok sayıda fetches gerçekleştirilen ve Rüzgar hızları20su üstünde çalkantılı dalgalanmalar ayrıntılı. Sürtünme hız u* bu çalışmada belirlenen hava-su arayüzüne değerleri içinde tesis21ölçülen Rüzgar dalgaların boyutsuz istatistiksel parametreleri elde etmek için kullanılmıştır. Bu değerler elde etmek daha büyük deneysel teçhizatları ve sahada yapılan deneyler karşılık gelen boyutsuz parametreleri ile karşılaştırıldı. Bu gösterilmiştir daha önce21 uygun ölçeklemeyle, küçük ölçekli tesisimizde elde edilen rüzgar dalga alan önemli özellikleri önemli ölçüde karşılık gelen verilerden farklı, değil mi ki daha büyük laboratuvarda birikmiş teçhizatları ve açık deniz ölçümleri. Bu parametreler temsilcisi dalga yüksekliği ve dalga boyu, yüzey yükselmesi frekans spektrumu yanı sıra değerleri daha yüksek istatistiksel anları şeklinde kayma büyüme içerir.
Bizim tesis22,23 ' te yürütülen sonraki çalışmaları rüzgar dalgaları aslında rasgele ve üç boyutlu olduğunu gösterdi. 3D yapısı Rüzgar dalgaların içine daha iyi bir fikir almak için su yüzey kotu nicel zamana bağımlı ölçümleri stereo video görüntüleme22kullanarak genişletilmiş alan üzerinde gerçekleştirmek için çalışıldı. Henüz yeterince etkili değildir mevcut ve işlem algoritmaları kullanılabilir yetersiz bilgisayar gücü nedeniyle bu girişimleri sadece kısmen başarılı olduğunu kanıtladı. Ancak, geleneksel kapasite türü dalga ölçer ve LSG kombine kullanımı rüzgar dalgaları kayma yapısı üzerinde değerli bilgiler sağlar gösterilmiştir. Her iki bu araçların eşzamanlı uygulama anlık yüzey yükseklik ve anlık yüzey yamaç23iki bileşenden bağımsız ölçümleri ile yüksek zamansal çözünürlük sağlar. Bu ölçümler hem baskın frekans tahmini ve baskın dalga boyu dalgalar gibi dalga yapısı Rüzgar normal yönde içgörü sağlayarak sağlar. Dikey olarak bilgisayar kontrollü motoru ile hareket edebilir, bir kılavuz borusu sensörler kümesi tamamlar ve rüzgar hızı ölçümleri için kullanılır.
Rastgele ve three-dimensionality ölçülen parametreler için bile önemli değişkenliği dalgalar neden Rüzgar sürekli yapılan açık Rüzgar zorlayarak bu çalışmalar ve tek bir ölçme konum. Böylece, ölçümleri süre ölçekler ölçülen dalga alanının güvenilir istatistiksel miktarları ayıklamak için yeterli bilgi toplamaya ihtiyaç vardır karakteristik zaman ile orantılı ile uzun süredir devam eden. Dalga alanın mekansal varyasyon düzenleyen mekanizmalar değerli fiziksel bir anlayış kazanmak için ölçümler çeşitli yerlerde ve Rüzgar akış hızı gibi çeşitli değerler için test bölümü mümkün olduğunca gerçekleştirmek için zorunludur. Bu hedefe ulaşmak için bu nedenle otomatik deneysel bir işlem uygulamak için son derece arzu edilir.
Dalgalar kararsız Rüzgar zorlayarak heyecan üzerinde deneyler ek bir karmaşıklık düzeyi tanıtmak. Bu tür çalışmalarda, Rüzgar hızı anlık seviyeye anlık ölçülen parametreler ilişkilendirmek için zorunludur. Dalgalar üzerinde deneyler heyecanlı bir neredeyse itici Rüzgar önemli örnek olarak zorlama tarafından diğer göz önünde bulundurun. Bu durumda, çok sayıda bağımsız ölçüleri aynı reçete desen24takip zaman içinde değişir Rüzgar eylem altında gelişen rüzgar dalga alanının ihtiyaç vardır. Hava akımı, başlatılması beri geçen zaman bir fonksiyonu olarak ifade anlamlı istatistiksel parametreleri sonra bağımsız gerçekleşmeleri birikmiş topluluğu ayıklanan veriler sayı ortalaması alınarak hesaplanır. Bu girişim onlarca ve yüzlerce saat sürekli örnekleme gerektirebilir. Deneme tam otomatik sürece deneysel seans iddialı bir görevi gerçekleştirmek için gereken toplam süresi bütün yaklaşımı olanaksız, işler. Yakın zamana kadar rüzgar dalga özellikleri gibi yok tamamen bilgisayarlı deneysel işlem geliştirilmiştir. Bu dengesiz zorlama altında Rüzgar dalgalar üzerinde güvenilir istatistiksel veri eksikliği için başlıca nedenleri arasında yer alıyor.
Tesisin deneme için kullanılan piyasada bulunan üzerinden oluşturulur değil beri kapalı donanım, burada ana parçalarının kısa bir açıklama sağlanmıştır.
Şekil 1. Şematik (değil ölçeklemek için) deney tesisi görünümünü. 1 - üfleyici; 2 - odası yerleşme giriş akımı; 3 - çıkış odası yerleşme; 4 - susturucu kutuları; 5 - test bölümü; bir 6 - plaj; 7 - ısı eşanjörü; 8 - petek; 9 - meme; 10 - wavemaker; 11 - flep; 12 - araç taşıma; 13 - step motor tarafından tahrik dalga ölçer; 14 - kılavuz bir step motor tarafından tahrik borusu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Deney tesisi bir kapalı devre Rüzgar tüneli (bir şematik Resim 1' de gösterilen) bir dalga tankı üzerine monte oluşur. Test bölümü 5 m uzun, 0.4 m genişliğinde ve 0,5 m derinde. Yanağında ve zemin 6 mm kalınlığında cam plakaları yapılır ve alüminyum profillerden yapılmış bir çerçeve içinde içine alınır. 40 cm uzun flep nozzle dan hava akımı kesit için su yüzeyi pürüzsüz bir genişleme sağlar. Dalga enerjisi gözenekli ambalaj malzemeden yapılmış beach emici tank ucunda yer alır. Bilgisayar kontrollü üfleyici ortalama hava akım hızı testi bölümünde 15 m/s'ye ulaşma sağlar.
Özel yapım kapasite türü 100 mm uzunluğundaki dalga ölçer anodize Tantal yapılır. 0.3 mm tel dalga ölçüm kalibrasyon için tasarlanmış bir PC kontrollü adım motor tarafından tahrik dikey bir sahnede monte edilir. Bir kılavuz borusu 3 mm çapında dinamik basınç test bölümü Merkezi hava akımı kısmında ölçmek için kullanılır.
Anlık 2D su yüzey yamaç, ölçme LSG, tank (Şekil 2) boyunca herhangi bir yerde konumlandırılmış test bölümünden müstakil bir çerçeve yüklenir. LSG dört ana bölümden oluşur: bir lazer diyot, bir Fresnel lens, diffusive bir ekran ve bir pozisyon algılama dedektörü (PSD) derleme. Lazer diyot 650 nm (kırmızı), 200 mW focusable lazer ışını çapı yaklaşık 0.5 mm ile oluşturur. 26.4 cm çapında Fresnel lens odak uzaklığı 22.86 cm ile objektif geri odak düzlemi içinde yer alan 25 x 25 cm2 diffusive ekrana gelen lazer ışını yönlendirir.
Şekil 2. Şematik lazer eğim ölçer (LSG). 1 - lazer diyot; 2 - Fresnel lens; 3 - diffusive ekran; 4 - pozisyon sensörü dedektörü (PSD). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Bu iletişim kuralı içinde çok sayıda parametreleri kararsız dalgalar karakterize aynı anda zamana bağımlı Rüzgar zorlama altında ölçülen deneyler performans sağlayan ile ilgili yordamı açıklamaktadır. Yordamı deney tesisi teknik sınırlamalar içinde görüş-in elde edilebilir zaman rüzgar hız istenen herhangi bir bağımlılığı için ayarlanabilir. Özellikle hangi her gerçekleştirilmesi, Rüzgar başlar neredeyse düşüncesizce başlangıçta sakin su üzerinde deneyler mevcut protokolünü açıklar. O zaman sürer yeterince uzun bunun için zorlama sürekli Rüzgar Rüzgar dalga alanında her yerde test bölümü yarı sabit devlet attains. Rüzgar, sonunda yine neredeyse düşüncesizce, aşağı doğru kapatın. Her aşamasında, birden çok dalga parametreler kaydedilir. Tesisimizde hesaplama çok sayıda istatistiksel temsilcisi ensemble ortalama olarak miktarlar anlık yerel rüzgar dalga alan karakterize roman ve son deneyler sırasında geliştirilmiş sağlar yordamı yürütülen 22 , 23 , 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sistem Hazırlama
- Musluk suyu derin koşul karşılamak için yaklaşık 20 cm derinliğe kadar ile tank doldurmak; yüzey gerilimi etkileyebilecek herhangi bir kirletici maddeleri su yüzeyini temizlemek.
- Alet taşıma istenen getirme getirin.
- Pitot tüpü takmak ve test bölümü hava akımı parçası merkezinde konumlandırın.
- Dalga ölçer, statik kalibrasyon etkinleştirmek için bir bilgisayar kontrollü dikey Sahne Alanı'nda bağlayın.
- Pozisyon girişim dalganın ortadan kaldırmak için LSG derleme istenen getirme ve yanal mesafe yaklaşık 7 cm dalga Gauge montaj optik yol ile ölçmek.
Not: PSD ortam ışığına etkilenmemek için gibi lazer ışını sahte yansımalar gelen çevreyi korumak için opak bir perde kullanılması önerilir.- Lazer ışını dikey olarak yönlendirilmiş su deposu altında konumlandırılmış hizalayın ve ışın odak.
- Pozisyon fresnel lens testi bölümünde objektifin rahatsızlık hava akımı alması sonucu en aza indirmek için su yüzeyi üzerinde mümkün olduğu kadar yüksek.
- Bükülmesi lazer ışını deneysel oturumda planlanan aşırı Rüzgar koşulları altında kendi orta kesiminde objektifte hits emin olun.
- Objektifin odak düzlemi diffusive ekranında tam olarak monte sonra objektif ve ekranın yatay ve dikey hizalamasını denetleyin.
- Su yüzeyi hala olduğunda herhangi bir iki paralel dikey lazer ışınları tam ortasındaki diffusive ekran vurmak emin olun.
Not: Bu bazı mesafe birbirinden konumlandırılmış iki özdeş lazerler kullanarak test edilebilir. - Diffusive ekranda tüm bölgeyi Dedektör etkili alanı içinde olduğundan emin PSD getirin. PSD lens lens ve ekran arasındaki gerçek mesafe için objektif ayarlarını odaklanarak gerçekleştirin.
2. kalibrasyon ve sensörler işletimi
-
Dalga ölçüm kalibrasyon
- Her ölçüm konumu ve deneysel vadede beklenen her maksimum Rüzgar hızı dalga ölçüm kalibrasyon gerçekleştirir.
- Ortalama su seviyesi yaklaşık algılama kablo uzunluğu ortasında olacak sensör dikey konumunu ayarlamak.
- Blower hızını ayarlamak için istediğiniz değeri ve Rüzgar sürekli yeterince uzun bir süre (2-3 dk) darbe için izin.
- Bir osiloskop kullanarak, el ile duyarlılık, kazanç ve en yüksek tepe ve dalga alanında beklenen en düşük yalak karşılık gelen voltaj değerleri A/D aralığında olması için saç kremi birimini kullanarak dalga ölçer uzaklığı ayarlayın dönüştürücü (+/-10 V).
- Blower su yüzeyi tamamen bozulmamış hale gelene kadar birkaç dakika, kapa çeneni.
- Beklenen en yüksek tepe içinde batık uzunluğundadır ve dalga hareket ettirerek yalak değerleri dikey olarak ölçmek doğrulayın.
- Özel yapım bir rutin hala belirtilen derinliklerinde bir sayıda ölçüm batış ve ortalama gerilim çıktı 5 sırasında kayıt su kullanılarak dalga göstergesi otomatik kalibrasyon gerçekleştirmek s her derinlik için.
- İkinci dereceden kalibrasyon polinom kaydedilen verileri bağımlılığı H(V) H (anlık yüzey yükselmesi için karşılık gelen), düşeydeki konumları Derinlik ölçer çıkış voltajı Vbir fonksiyonu olarak nerede, elde etmek için uygun.
- Görsel olarak monte kalibrasyon polinom (şekil 3) kalitesinden emin.
- Her ölçüm konumu ve deneysel vadede beklenen her maksimum Rüzgar hızı dalga ölçüm kalibrasyon gerçekleştirir.
Şekil 3. Dalga ölçüm kalibrasyon eğrisi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
-
Kalibrasyon ve LSG düzeltilmesi
- LSG performans her deplasman sensör derleme sonra doğrulayın.
- Yatay Cam kağıt üzerinde yerleştirilen bir optik kama prizma kullanarak, lazer ışını ile ilgili bilinen Su yüzey yamaç simüle optik eksen sapma.
- Tıp lazer ışınının bir osiloskop veya özel olarak oluşturulmuş veri satın alma programı kullanarak diffusive ekranında nokta örnek PSD çıkarır.
- Hesaplama ışın saptırma açı ve eğim ölçülen koordinat lazer ışını nokta koordinat üzerinden; sonucu bilinen kama açısı ile karşılaştırın.
- Bir veya daha fazla prizmalar kullanarak birkaç saptırma açıları için yordamı yineleyin.
Not: 17,5 ° ila 2.5 ° arasında değişen saptırma açıları ile kama prizmalar kullanıldı; diffusive ekran ile PSD kayma nedeniyle sınama başarısız olursa, PSD el ile kayma için düzeltmek için ayarlayın. Bu yordamı kullanarak el ile bir 2D yatay çeviri sahne ve bir düzey gerçekleştirilir ve çok zaman alıcıdır.
-
PSD ve Kalibrasyon prosedürü doğrusallık doğrulanması
- Diffusive ekrandaki şeffaf bir kağıda yazdırılan bir eşit aralıklı kılavuz yerleştirin ve böylece aşağı ve rüzgar yönleri, çapraz eksen, x ve y, hizalanır sırasıyla şark (şekil 4).
Not: Grid lazer ışını diffusive ekranda istediğiniz konuma uygun yönetmenlik ve doğru bir şekilde prizmalar kümesi kullanarak ya da lazer diffusive ekranın altında Rüzgar boyunca ve rüzgar yönde hareket kolaylaştırır. - Prizmalar kümesini kullanarak, birden çok Radyal yerleşimi diffusive ekranda nokta lazer ışını ile sabit bir azimut açı koruyarak elde etmek için dikey lazer ışını saptırmak.
Not: Çözünürlük 1 cm ve 7 cm maksimum yarıçapı her 9 azimut açı için kullanılır. - Lazer nokta xiçinde birden çok konumlara taşımak- y tutarken yön, koordine sabiti, sonra yiçin hareketin yönünü değiştirmek ve x sabit tutmak.
Not: Aralığı ve kullanılan çözünürlüğü önceki bölümünde benzer. - Her kalibrasyon kılavuzda yaklaşık 50 puan toplamak.
Not: Lazer ışını nokta koordinatları PSD tarafından iktisap ve PSD bağlı bir çift iki kanallı osiloskop kullanılarak hesaplandı.- Her yön için kullanım doğrusal veri PSD sensör üzerinde lazer ışını koordinatlarını diffusive ekrandaki ilgili koordinatlarına dönüştürmek için kalibrasyon katsayıları verim için uygun.
Not: PSD kalibrasyon örneği Şekil 5'te test bölümü Merkez çizgisi çekilen noktalar kümesi için çizilir. Diffusive ekran ve sensör eksenlerini düzgün hizalandığında yanıt sensör ve böylece kalibrasyon katsayıları her yöne hemen hemen aynıdır. Grid lazer yamaç koordinatları kolay bir belirlenmesi diffusive ekranda izin kalibrasyon prosedürü kolaylaştırır.
- Her yön için kullanım doğrusal veri PSD sensör üzerinde lazer ışını koordinatlarını diffusive ekrandaki ilgili koordinatlarına dönüştürmek için kalibrasyon katsayıları verim için uygun.
- Diffusive ekrandaki şeffaf bir kağıda yazdırılan bir eşit aralıklı kılavuz yerleştirin ve böylece aşağı ve rüzgar yönleri, çapraz eksen, x ve y, hizalanır sırasıyla şark (şekil 4).
- LSG performans her deplasman sensör derleme sonra doğrulayın.
Şekil 4. Diffusive ekran kılavuz. Lazer ışını diffusive ekranda istediğiniz konuma uygun ve doğru bir şekilde prizmalar kümesini kullanan veya lazer diffusive ekranın altında Rüzgar boyunca hareketli yönetmenlik kılavuz kolaylaştırır ve Rüzgar yön için buraya tıklayınız Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek.
Şekil 5. PSD kalibrasyon eğrisi. Rakam PSD tercümesi gerilimleri koordinatlara verimleri yeterli sonuçları çıkış gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
3. deneysel bir işlem ve veri toplama
Not: Aşağıdaki adımlarda kullanılan kullanıcı arabirimi için bkz. ek şekil 1 .
- Bir ölçüye göre program kullanıcı arabirimini kullanarak üfleyici sıklığını belirleme.
Not: Başlangıçta bozulmamış su yüzeyi üzerinde rüzgar hızı neredeyse kademeli bir artış, bir sabit hava debisi oranı tarafından öngörülen bir süre için takip uygulandı (120 s), ve neredeyse itici kapa üfleyici. - Farklı sabit Rüzgar akış oranları sayısını ve gerekli üfleyici ayarları belirleyin.
- Basınç detektörler tarafından kılavuz borusu tespit dinamik basınç değişimleri beklenen aralığı ayarlarını.
- Her gerçekleşme başında Rüzgar yok ve su yüzeyi bozulmamış (ayna pürüzsüz) olduğundan emin olun. Veri toplama zaman uyumlu olarak körük çalışması ile başlayın.
- Kayıt anında yüzey yükselmesi, yüzey yamaç boyunca bileşenlerinde-Rüzgar yön, Pitot tüpü çıktı ortalama rüzgar hızı Uizleme ve öngörülen örnekleme, üfleyici denetleyicisinden gerilim değişim oranı () 300 Hz/kanal kullanılmıştır).
Not: Gerilim dalga-Gauge program tarafından alınan otomatik olarak yüzey ayrıcalık şekil 3' te sunulan uygun gelen kalibrasyon katsayıları kullanılarak dönüştürülür. - Örnekleme çürüyen dalga alan körük kapatıldıktan sonra kaydetmek için yeterli zaman için devam edin.
- Örnekleme tamamlandığında, otomatik deneysel işlemin (bağlı olarak sistem) yeterli zaman için su yüzeyi sonraki başlanmasından önce bozulmamış durumuna getirmek için sağladığından emin olun.
- Sonraki işlem için kaydedilmiş verileri kaydetmek.
- Gerçekleşmeleri (genellikle 100 bağımsız çalışır yeterli bulundu) reçete sayısı gerçekleştirin.
- COMPUTE ensemble ortalama parametreleri zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilen verilerin körük başlatılması beri geçen.
- Seçili hedef Rüzgar hızı test bölümü için karşılık gelen üfleyici sonraki ayarı için tüm prosedürü tekrarlayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Temsilci topluluk ortalama olarak sonuçları şekil 6, Şekil 7ve şekil 8çizilir. Şekil 6 ' da bir fonksiyonu olarak sunulan rasgele Rüzgar dalgaların genliği karakterize anlık yüzey ayrıcalık <η2>1/2 RMS değerler varyasyonu bu yana geçen körük inisiyasyon. Sonuçlar üç hedef Rüzgar hızları, U. ve wavemaker, x, 3 mesafeler için sunulur
Sabit getirme x, için denge yarı sabit devlet karakteristik dalga genlikleri ile rüzgar hızı Uartırmak; Ancak, körük inisiyasyon şiddetle U üzerinde herhangi bir belirli x. bağlı görünmüyor sonra <η2>1/2 yarı sabit değeri elde edilmek süresi gerekli U zorlayarak Rüzgar sürekli hedef değeri için karakteristik dalga genlikleri denge değerlerini getirme ile artırın. Ayrıca <η2>1/2 değişim oranı varyasyon açıkça farklı aşamaları Rüzgar-dalgalar büyüme var olduğunu düşündüren şekil 6, çizilen her eğri olarak tanımlanabilir olduğunu unutmayın işlem. Ensemble ortalama olarak RMS değerlerini downwind ve Rüzgar yamaçta bileşenlerin, <ηx2>1/2 ve <ηy2>1/ 2, Şekil 7 ' de iki fetches ve rüzgar hızı U. iki değerleri için çizilen
Şekil 6 ve karakteristik zaman ölçekleri varyasyon her iki yüzey yamaçta bileşenlerin özellikle yüzey yükseklik değişimi karşılık gelen ölçekler kısa Şekil 7 karşılaştırılması üzerinden belirgindir. <ηx2>1/2 ve <ηy2>1/2 yarı sabit değerleri aynı büyüklük, olmakla birlikte, karakteristik yamaçları rüzgar yönde yamaçları boyunca-rüzgar yönde küçüktür. Bu sonuçlar Rüzgar-dalgalar kısa ince kenarlı ve üç boyutlu olduğunu gösteriyor. Yarı sabit Rüzgar zorlama altında her iki yönde karakteristik eğim değerleri esas getirme x/ bağımsız, Rüzgar hızı U. ile artırmak gibi görünüyor ama Zamansal değişim için sabit x ve U iki yamaçta bileşenlerin daha yakından bakmak <ηx2>1/2 ilk artış sürekli olduğunu ortaya koymaktadır ve özellikle <ηy2>1/2daha hızlı. Böylece, Rüzgar aktivasyonu ile sakin su yüzeyinde görünür ilk dalgaların büyüme çok erken aşaması sırasında onlar yaklaşık iki boyutlu olarak görülebilir. Bu aşamada bir ikinci yalnızca bir kısmını için sürer; Yine de, temel three-dimensionality dalga alanının belirli bir gecikme ile geliştirir vurgulamak önemlidir.
Körük kapanmasının şekil 8' de gösterilen sonra dalga alanın davranışını. Tankın içinde kalan dalgalar hızlı, etkili bir şekilde yaklaşık 1 dakika sonra kaybolan çürüdü.
Şekil 6. Yüzey ayrıcalık RMS zamansal değişim. Rakam <η2>1/2 tarafından temsil edilen karakteristik dalga yüksekliği varyasyon zaman ölçekleri hedef Rüzgar hızı U ve getirme x. bağlı olduğunu gösterir Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7. Downwind/çapraz-Rüzgar yüzey yamaçta bileşenlerin varyasyon RMS süresi ile. Topluluğu ortalama olarak RMS değerlerini downwind ve Rüzgar yamaçta bileşenlerin, <ηx2>1/2 ve <ηy2>1/2, Burada çizilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8. Rüzgar dalga çürüme under körük kapatıldıktan sonra. Ensemble ortalama olarak RMS değerlerini downwind ve Rüzgar yamaçta bileşenlerin, <ηx2>1/2 ve <ηy2>1/2, iki fetches ve rüzgar hızı U. iki değerleri için Şekil 7 üzerindeki Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Ek şekil 1: özel olarak oluşturulmuş yazılım kullanıcı arabirimi veri toplama için. Bu dosyayı indirmek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Mevcut deneysel protokol kararsız Rüzgar zorlama altında zaman ve mekan içinde geliştikçe bir dalga alanı nicel karakterizasyonu hedefleniyor. Rüzgar-dalgalar aslında rasgele ve üç boyutlu ve böylece hızlı bir şekilde zaman ve mekan içinde değişir bu yana, zamana bağımlı Rüzgar zorlama altında büyüyen bir rüzgar dalga alan bireysel gerçekleşmeleri kayıtlarının sadece yöneten nitel tahminler sağlayabilir Dalga parametreleri. Bu iletişim kuralı hedefe ulaşmak için ve istatistiksel olarak güvenilir saat ve getirme bağımlı dalga özellikleri, zaman-topluluk çok sayıda deneysel ishal Rüzgar değişim zamanında özdeş bir deseni ile ortalama uygulanmak zorunda karar verdi. Farklı hedef Rüzgar hızları ve fetches için öyle detaylı ve kapsamlı bilgi birikimi son derece zaman alıcı olduğu için deneysel işlemin otomatik ve gerekli ayarlamaları için farklı izin vermek için yeterince esnek olmak zorunda Rüzgar koşulları zorlama. Bizim bilgi en iyi şekilde, değişken Rüzgar zorlama altında çeşitli istatistiksel dalga alan parametreleri zamansal ve mekansal çözünürlükte verebilmektedir bu el yazması tanımlanan deneysel yordamı şimdiye kadar büyük ölçüde ulaşılamıyor.
Not bir laboratuvar dalga ölçümlerde rüzgar dalga yürütmek için gerekli deneyler süresince tank tesisin büyüklüğü ile önemli ölçüde artırır. Bu kısmen çünkü getirme ile dalga büyüme aşaması süresi artar (bkz. şekil 6). Dalga uzunlukları ve dönemleri de her deneme süresi getirme17,21,23,24, böylece için biriktirme istatistiksel temsilcisi veri ile büyümeye çalışma vardır uzun için karşılaştırılmak üzere karşılık gelen baskın dalga periyodu. Bireysel gerçekleşmeleri fetches önemli ölçüde bu çalışmanın istihdam daha uzun, var böylece lengthier olmak. Daha da önemlisi, herhangi bir deney tesisi rüzgarda tarafından heyecan en uzun dalga boylarında karakteristik tank sipariş uzunluktadır. Böylece daha büyük bir tesis rüzgarda kapanmasının sonra depoda kalan kalan dalgalar onların çürümesi için daha uzun zaman gerektirir. Bozulmamış su yüzeyine dönmek için gereken daha büyük bir rüzgar dalga tankında ardışık çalıştırma arasında aralığı bu nedenle önemli bizim deneylerde istihdam altı dakikalık zaman aralığı daha uzun olmalıdır.
Yukarıda açıklanan genel bir yaklaşım sabit ve kararsız Rüzgar koşulları zorlamadan çeşitli için uygulanabilir. Bu makale, Rüzgar zorlamaktan zamansal değişim kararsız dalga alan etkili itici Rüzgar zorlama ve kapatma altında hem de sürekli rüzgar zorlama altında çalışmaya yeterli vücut veri birikimi etkinleştirme amacı ile seçildi. Bu amaçla, bakım su yüzeyi sakin ve rahatsız edilmeden önce her deneysel çalışma başlatılması sağlamak için alınmıştır. Her yinelemenin Rüzgar neredeyse düşüncesizce üfleyici tarafından başlatıldı sonra yeterince uzun bir süre sonra körük kapatıldı (mevcut deneylerde 2 dk), hava debisi oranı sabit kaldı. Bu yaklaşım yarı sabit duruma verilen getirme ve rüzgar hızı, sonra dalgalar altında sürekli rüzgar zorlayarak, karakteristik, başlangıçta sakin su yüzeyinden büyüyen ayrı olarak geçici gelişen rüzgar dalga alanları eğitim sağlar ve son olarak Rüzgar zorlama aniden kapanır sonra dalgalar çürüme.
Her bireysel gerçekleşme dönemi sakin böylece içerir mevcut çalışma süresi 8 dk aşıyor. Bu nedenle, hangi veri deneyler için bir tek getirme 100 bağımsız çalışır ve hedef Rüzgar hızı son yaklaşık 15 saat (dalga ölçüm kalibrasyon prosedürü süresini de içeren) biriktirilir. Bu başarılı olmak böyle bir çaba için tüm deneysel işlemin otomatik olarak, Yani insan müdahalesi olmadan tamamen dışarı taşınabilmesi şart olduğu açıktır.
Tesis ve tam otomatik ölçüm ve kalibrasyon işlemleri her iki mütevazı boyutunu kabul edilen deneysel yaklaşım uygulanması için çok önemli olduğunu böylece stres. Mufassal-den sonuçlanmak kararsız zorlama altında rüzgar dalga alan evolution üzerinde başka bir yerde gelecekte sunulacak, şekil 6, Şekil 7ve şekil 8 daha önce kullanılamaz bu bilgileri belirgin iken üzerinde ince ayrıntıları Rüzgar-dalga evrim da çalışmanın birikmiş. Bu bilgiler tarafından Rüzgar1,2,3,4,5,24dalgalar uyarma ile anlaşma farklı teorik modelleri doğrulamak için kullanılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu eser İsrail Bilim Vakfı tarafından desteklenen hibe # 306/15.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PSD | THORLABS | PDP90A | |
| Laser Diode | any laser pointer ≤ 200 mW | ||
| Aspheric Fresnel Lens | EDMUND OPTICS | #46-390 | Diameter 10.4'', Focal length 9'' |
| Wave-gauge | custom made | ||
| Pressure Transducer | MAMAC SYSTEMS | PR-274-R2-VDC | |
| Signal Conditioner | custom made | ||
| Diffusive screen | EDMUND OPTICS | #02-147 | |
| Water tank | custome made | ||
| A/D card PCI-6221 | National Instruments | 779066-01 | |
| Pitot tube | KIMO Instruments | 12971 | |
| 15° Nom. VIS-NIR Coated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #47-624 | |
| 10° Nom. VIS 0° Coated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #49-444 | |
| 2.5° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated | EDMUND OPTICS | #84-863 | |
| 4° Nom. Uncoated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #43-650 | |
| 5.0° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated | EDMUND OPTICS | #84-865 | |
| LabView Full Development System | National Instruments | 776670-35 |
References
- Sir William Thomson, F. R. S. Hydrokinetic solutions and observations. Philosophical Magazine. 42, 362-377 (1871).
- Jeffreys, H. On the formation of water waves by wind. Proc. Roy. Soc. London Ser. A. 107, 189-206 (1925).
- Miles, J. W. On the generation of surface waves by shear flows. J. Fluid Mech. 3 (2), 185-204 (1957).
- Phillips, O. M. On the generation of waves by turbulent wind. J. Fluid Mech. 2 (5), 417-445 (1957).
- Plate, E. J., Chang, P. C., Hidy, G. M. Experiments on the generation of small water waves by wind. J. Fluid Mech. 35 (4), 625-656 (1969).
- Mitsuyasu, H. On the growth of the spectrum of wind-generated waves I. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu Univ. 16 (55), 459-482 (1968).
- Toba, Y. Local balance in the air-sea boundary processes, I. On the growth process of wind waves. J. Oceanog. Soc. Japan. 28, 109-120 (1972).
- Toba, Y. Local balance in the air-sea boundary processes. III. On the spectrum of wind waves. J. Oceanogr. Soc. Japan. 29, 209-220 (1973).
- Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. Frequency-wavenumber spectrum of wind-generated gravity-capillary waves. J. Geoph. Res. 102, 1061-1072 (1997).
- Caulliez, G., Guérin, C. -A. Higher-order statistical analysis of short wind wave fields. J. Geophys. Res. 117, C06002 (2012).
- Mitsuyasu, H., Rikiishi, K. The growth of duration-limited wind waves. J. Fluid Mech. 85, 705-730 (1978).
- Kawai, S. Generation of initial wavelets by instability of a coupled shear flow and their evolution to wind waves. J. Fluid Mech. 93 (4), 661-703 (1979).
- Waseda, T., Toba, Y., Tulin, M. P. Adjustment of wind waves to sudden changes of wind speed. J. Oceanography. 57, 519-533 (2001).
- Uz, B. M., Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. A. Laboratory observations of gravity-capillary waves under transient wind forcing. J. Geophys. Res.: Oceans. 108 (C2), (2003).
- Hwang, P. A., Wang, D. W. Field measurements of duration-limited growth of wind-generated ocean surface waves at young stage of development. J. Phys. Oceanogr. 34 (10), 2316-2326 (2004).
- Hwang, P. A., García-Nava, H., Ocampo-Torres, F. J. Observations of wind wave development in mixed seas and unsteady wind forcing. J. Phys. Oceanogr. 41, 2340-2359 (2011).
- Liberzon, D., Shemer, L. Experimental study of the initial stages of wind waves' spatial evolution. J. Fluid Mech. 681, 462-498 (2011).
- Miles, J. W. On generation of surface waves by shear flows. Part 2. J. Fluid Mech. 6 (4), 568-582 (1959).
- Plant, W. J. A relationship between wind stress and wave slope. J. Geophys. Res. 87, 1961-1967 (1982).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Characterization of turbulent air flow over evolving water-waves in a wind-wave tank. J. Geophys. Res. 117, C00J19 (2012).
- Zavadsky, A., Liberzon, D., Shemer, L. Statistical analysis of the spatial evolution of the stationary wind wave field. J. Phys. Oceanogr. 43, 65-79 (2013).
- Zavadsky, A., Benetazzo, A., Shemer, L. On the two-dimensional structure of short gravity waves in a wind wave tank. Phys. Fluids. 29 (1), 016601 (2017).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Investigation of statistical parameters of the evolving wind wave field using Laser Slope Gauge. Phys. Fluids. 29 (5), (2017).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Water waves excited by near-impulsive wind forcing. J. Fluid Mech. , (2017).
