本文描述了一种完全由计算机控制的实验方法，可在小尺度实验装置中通过稳定和非稳定风力强迫激发水波，从而从实验中获得可靠的统计参数。
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本文内容
摘要
摘要
本文描述了一种实验方法，可用于获取由随时间变化和稳态风强迫激发的水波在时间和空间上演变的多种定量信息。在风浪装置测试段的多个位置，采用电容式波高仪和激光斜率仪（LSG）测量瞬时水面高度以及瞬时水面坡度的两个分量。由计算机控制的鼓风机提供流经水槽上方空气的气流，其流速可随时间变化。在当前实验中，测试段内的风速首先从静止状态迅速增加至设定值，随后在规定时间内保持恒定，最后关闭气流。每次实验开始时，水面处于平静状态且无风。鼓风机的启动与计算机同步开始采集所有传感器的数据，数据采集持续进行，直到水槽中的波浪完全衰减。在相同强迫条件下进行多次独立实验，可确定具有统计可靠性的集合平均特征参数，从而定量描述风浪在初始发展阶段随时间变化的特性，并作为风区长度（fetch）的函数。该方法还可用于表征稳态风强迫下波浪场的空间演化特性，以及在风停止后波浪随时间衰减的过程，并作为风区长度的函数进行分析。
引言
自古以来，人们就已熟知水面波浪是由风引起的。然而，目前对这一过程所涉及物理机制的理解仍远未完善。多年来，人们提出了 numerous 理论试图解释风生波的产生1,2,3,4，但这些理论至今仍缺乏可靠的实验验证。由于风的方向和强度变化迅速且难以预测，在海洋中对随机风生波进行测量极具挑战性。相比之下，实验室实验具有可控条件的优势，能够实现长时间且可重复的测量。
在实验室环境中，恒定风力强迫下，风生波在空间中演化。数十年前进行的关于恒定强迫下波浪的早期实验室实验仅限于瞬时水面高度的测量5,6,7,8。近年来的研究还采用了多种光学技术来测量瞬时水面倾斜角，例如线扫描法（LSG）9,10。这些测量手段使得人们能够获得有关风生波场三维结构的一些有限的定性信息。当风力....
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方案
1. 系统准备
- 向水箱中注入自来水，水深约 20 cm，以满足深水条件；清除水面可能影响表面张力的污染物。
- 将仪器 carriage 置于所需风区长度处。
- 安装皮托管，并将其置于测试段气流部分的中心位置。
- 将波高计安装在计算机控制的垂直平台上，以便进行静态校准。
- 将 LSG 组件置于所需风区长度处，并使其与波高计保持约 7 cm 的横向距离，以消除波高计组件对光路的干扰。
注意：建议使用不透明帘幕，以防止环境光照射到 PSD 上，同时避免激光束的杂散反射对环境造成影响。- 调整位于水箱下方的激光器，使光束垂直向上，并对光束进行聚焦。
- 将菲涅耳透镜尽可能高地安装在测试段内、水面之上，以最小化透镜对气流的干扰。
- 确保在实验计划的极端风速条件下，偏转后的激光束仍能照射到透镜的中心区域。
- 将漫射屏精确安装在透镜的焦平面上，然后检查透镜和漫射屏的水平与垂直对准情况。
- 确保当水面静止时，任意两条平行的垂直激光束均能精确照射到漫射屏的中心位置。
注意：可通过使用两个相距一定距离的相同激光器进行测试。 - 放置 PSD，确保漫射屏的整个区域均位于探测器的有效探测范围内。通过调整 PSD 镜头的设置，使其焦距与镜头到屏幕的实际距离相匹配，完成镜头聚焦。 ....
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结果
具有代表性的集合平均结果如图6、图7和图8所示。图6展示了自鼓风机启动以来，表征随机风生波波幅的瞬时水面高程均方根值（<η2>1/2）随时间的变化关系。结果分别针对距造波器3个不同距离x以及3种目标风速U给出。
对于固定的风区长度 x，平衡态准稳态特征波幅随风速 U 增大而增大；然而，在启动鼓风机后，达到 <η2>1/2
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讨论
本实验方案旨在对在非定常风力强迫下随时间和空间演化的波场进行定量表征。由于风生波本质上是随机且三维的，因此在时间和空间上变化迅速，针对随时间变化的风力条件下风浪场增长过程的单次实测记录，仅能提供主导波参数的定性估计。为实现本方案的目标并获得具有统计可靠性的、依赖于时间和风区的波浪特征，必须对大量具有相同时间变化风速模式的实验运行进行时间分辨的集合平均。由于针对不同的目标风速和风区积累如此详尽而广泛的数据极为耗时，实验过程必须实现自动化，并具备足够的灵活性，以适应不同风力强迫条件下的必要调整。据我们所知，本文所描述的实验方法能够以时间和空间分辨的方式，在可变风力强迫条件下提供多种统计性的波场参数，此类方法在此前尚未广泛获得。
需要注意的是，在实验室波浪水槽中进行风浪测量实验所需的时间随着设施规模的增大而显著增加。部分原因在于波浪成长阶段的持续时间随风区距离的增加而延长（见图6）。波长和周期也随风区距离的增加而增大17,2.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由以色列科学基金会资助，项目编号 #306/15。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PSD | THORLABS | PDP90A | |
| 激光二极管 | 任意激光笔 ≤ 200 mW | ||
| 非球面菲涅耳透镜 | EDMUND OPTICS | #46-390 | 直径 10.4 英寸，焦距 9 英寸 |
| 波高仪 | 定制 | ||
| 压力传感器 | MAMAC SYSTEMS | PR-274-R2-VDC | |
| 信号调理器 | 定制 | ||
| 漫射屏 | EDMUND OPTICS | #02-147 | |
| 水槽 | 定制 | ||
| A/D 采集卡 PCI-6221 | National Instruments | 779066-01 | |
| 皮托管 | KIMO Instruments | 12971 | |
| 15° 标称值，可见-近红外镀膜楔形棱镜 | EDMUND OPTICS | #47-624 | |
| 10° 标称值，可见光 0° 镀膜楔形棱镜 | EDMUND OPTICS | #49-444 | |
| 2.5° 标称值，熔融石英未镀膜楔形棱镜 | EDMUND OPTICS | #84-863 | |
| 4° 标称值，未镀膜楔形棱镜 | EDMUND OPTICS | #43-650 | |
| 5.0° 标称值，熔融石英未镀膜楔形棱镜 | EDMUND OPTICS | #84-865 | |
| LabView 完整开发系统 | National Instruments | 776670-35 |
参考文献
- 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 flow....
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重印与许可
