在稳态与非稳态风强迫下风浪水槽中波浪的测量

本实验方法的总体目标是获取多种可靠的统计参数，用于表征所研究水波在时空上的演化过程以及随时间变化的风力强迫作用。该方法有助于阐明风致水波激发的机制，而这些机制目前尚未被充分理解。

对风能输入进行准确建模对于海浪气候预测至关重要。该技术的主要优势在于其完全自动化并由计算机控制。实验过程可轻松调整，以研究多种过程及风生波的生成。

实验在此设施内进行，该设施由一个位于波浪水槽上方的闭合回路风洞组成。这是该设施及其部分特征的示意图。气流方向由箭头指示。

水箱长5米，高0.5米，宽0.4米。水箱的侧壁和底部由铝框支撑的玻璃制成。水箱一端设有挡板和造波装置。

挡板在气流进入测试区域时可平滑地扩大其横截面，并作为距离测量的参考基准。水槽的另一端设有波能吸收装置，该装置由多孔填充材料构成，用于形成人工海滩。

水箱上方设有可移动的滑轨，用于安装仪器。实验时，将水箱注水至20厘米深度，并手动精确调节滑轨位置，使仪器位于所需的风区距离处。接下来，为实验准备部分仪器。

准备一根能够到达气流中心的皮托管。此外，配备一个安装在计算机控制的垂直平台上的波高计。使用滑座将皮托管安装在测试段气流的中心位置。

然后，将波高仪安装在滑车上。接着，操作激光斜率仪部件。该部件由激光二极管、菲涅耳透镜、漫射屏和高精度传感探测器组成。

将激光二极管调整至水箱下方所需的采集位置，使光束垂直向上。光束应距离波高仪约七厘米。

在放置菲涅尔透镜和漫射屏后，继续操作前应使用水平仪检查透镜和屏幕的水平与垂直对齐情况。将透镜设置调整为透镜与屏幕之间的实际距离。为校准波高仪，需设定传感器的垂直精度。

水位的平均值应大致位于感应导线长度的中间位置。将鼓风机速度设置为所需的档位之一，并让风稳定吹拂两到三分钟。在风吹过程中，通过示波器监测波高仪的信号。

手动调节灵敏度、增益和偏移，以确保对应于最高波峰和最低波谷的电压值处于模数转换器的量程范围内。完成后，关闭鼓风机并等待水面恢复平静。针对实验过程中预期的每个测量位置和最大风速，重复上述校准步骤。

现在，校准激光斜率仪。为此，使用置于透明支架上的光学楔形棱镜。在示波器上观察精密传感探测器的输出，以检查校准情况。

使用不同的棱镜重复上述步骤，以获得多个偏转角度。再次使用棱镜使垂直的激光束发生偏转。在这种情况下，将光束偏转至漫射屏上的某一径向位置。

在保持方位角恒定的情况下，对多个棱镜执行此操作。对于每个位置，在示波器上记录精密传感探测器的输出。完成后，通过将激光光斑沿X方向移动至多个位置（同时保持Y坐标不变）来采集数据。

重复上述步骤，移动 Y 轴位置并保持 X 坐标不变。设置数据采集系统以记录所需参数。开始实验前，确保无风干扰。

水面应保持平整且无扰动。启动鼓风机的同时开始数据采集。本实验中，持续施加激励力 200 秒。

随着时间推移，系统将达到稳态。使用示波器实时显示采集过程中的数据。这是表面斜率数据的一个示例。

左侧为下风向，右侧为侧风向。实验结束时，关闭鼓风机并继续采集数据，以记录衰减的波浪场。在继续实验前，需留出足够时间使水面恢复至无扰动状态。

在每次实验中，可以识别出三个不同的阶段：吹风机启动时的初始波浪增长阶段；在恒定风力作用下的准稳态风-波场阶段；以及吹风机关闭后波浪的衰减阶段。

在脉冲式风力作用下，记录了多个独立实现的波场。通过对样本进行平均，得到相对于鼓风机启动时刻的时间函数结果。以下是瞬时水面高度的均方根（RMS）值随时间变化的数据。

数据在距离襟翼 120 厘米处采集，对应三种不同的风速。平衡状态下的准稳态特征波幅随风速增加而增大。注意，达到准稳态所需的时间似乎与风速无关。

不同fetch值但相同三种风速下的数据表现出相似的规律。这些图示为瞬时水面高度，位置分别位于距挡板220厘米和距挡板340厘米处。

使用相同的数据来探究风速恒定目标值时特征波幅的特性。该图展示了风速为6.5米/秒的情况，具有代表性，表明了随着风区距离的增加，水面高度均方根（RMS）值的平衡状态也随之上升。该实验还提供了水面坡度顺风向和横风向分量的均方根（RMS）测量结果。

这些数据对应两个风区长度，分别为 120 厘米和 340 厘米。风速目标值分别为 6.5 米每秒和 10.5 米每秒。关闭鼓风机后，特征波幅以及水面坡度分量均在大约一分钟内衰减，且衰减过程与风区长度无关。

一旦掌握，使用本方法完成一次观测约需八分钟。针对单一风速目标和固定风区，积累100次观测大约需要连续进行13小时的实验。在实施本方法时，需注意水分会不断蒸发，应适时补充。

该技术发展之后，为水波和定常风力作用的定量研究开辟了道路。观看视频后，您应能充分理解如何获取非定常和非均匀风-波场的定量结果。