Messungen der Wellen in einem Wind-Welle-Tank unter stetigen und zeitlich veränderliche Wind zwingt
13. Februar 2018
Dieses Manuskript beschreibt ein voll computergesteuertes Verfahren, das erlaubt die Erlangung zuverlässige statistische Parameter aus Experimenten von Wasserwellen angeregt durch stetige und unsteten Wind zu zwingen, in einer kleinen Anlage.
Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Verfahrens ist es, die Akkumulation verschiedener zuverlässiger statistischer Parameter zu ermöglichen, die die räumliche und zeitliche Entwicklung der untersuchten Wasserwellen und den zeitabhängigen Windantrieb charakterisieren. Diese Methode kann den Mechanismus klären, der die Anregung von Wasserwellen durch den Wind steuert. Diese Mechanismen sind noch nicht verstanden.
Die richtige Modellierung des Windeintrags ist für die Vorhersage des Wellenklimas unerlässlich. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie vollautomatisch und computergesteuert ist. Das experimentelle Verfahren kann leicht angepasst werden, um eine Vielzahl von Prozessen und Windwellen zu untersuchen.
Die Experimente finden in dieser Anlage statt, die aus einem geschlossenen Windkanal über einem Wellentank besteht. Dies ist ein Schema der Anlage und einiger ihrer Merkmale. Die Richtung des Luftstroms wird durch Pfeile angezeigt.
Der Panzer ist fünf Meter lang, 1/2 Meter hoch und 4/10 Meter breit. Die Seitenwände und der Boden des Tanks bestehen aus Glas, das von einem Aluminiumrahmen getragen wird. An einem Ende des Tanks befinden sich eine Klappe und ein Wellengenerator.
Die Klappe erweitert den Strömungsquerschnitt beim Eintritt in den Prüfraum stufenlos und dient als Referenz für Abstandsmessungen. Ein Wellenenergieabsorber befindet sich am gegenüberliegenden Ende des Tanks. Dieser besteht aus porösen Verpackungsmaterialien, die zur Bildung eines Strandes verwendet werden.
Über dem Tank befindet sich ein beweglicher Schlitten, um Instrumente aufzunehmen. Lassen Sie für das Experiment den Tank bis zu einer Tiefe von 20 Zentimetern füllen und richten Sie den Schlitten manuell aus, damit die Instrumente den gewünschten Einzug erhalten. Bereiten Sie als Nächstes einige der Instrumente für das Experiment vor.
Haben Sie ein Staurohr, das die Mitte des Luftstroms erreichen kann. Zusätzlich verfügen Sie über ein Wellenmessgerät, das auf einem computergesteuerten vertikalen Tisch montiert ist. Verwenden Sie den Schlitten, um das Staurohr in der Mitte des Luftstroms der Prüfstrecke zu montieren.
Montieren Sie dann das Wellenmessgerät auf dem Schlitten. Arbeiten Sie als Nächstes mit einem Teil für Laser-Neigungsmessgeräte. Diese bestehen aus einer Laserdiode, einer Fresnel-Linse, einem diffusiven Schirm und einem präzisionsabtastenden Detektor.
Richten Sie die Laserdiode an der gewünschten Stelle unterhalb des Wassertanks aus. Richten Sie den Strahl vertikal nach oben. Der Strahl sollte etwa sieben Zentimeter vom Wellenmesser entfernt sein.
Überprüfen Sie nach dem Positionieren der Fresnel-Linse und des Diffusionsschirms mit einer Wasserwaage die horizontale und vertikale Ausrichtung der Linse und des Bildschirms, bevor Sie fortfahren. Passen Sie die Objektiveinstellung an den tatsächlichen Abstand zwischen Objektiv und Bildschirm an. Um das Wellenmessgerät zu kalibrieren, stellen Sie die vertikale Genauigkeit des Sensors ein.
Der mittlere Wasserstand sollte ungefähr in der Mitte der Länge des Messdrahts liegen. Stellen Sie die Gebläsedrehzahl auf eine der gewünschten Stufen ein und lassen Sie den Wind zwei bis drei Minuten lang gleichmäßig wehen. Wenn der Wind weht, überwachen Sie das Signal des Wellenmessers auf einem Oszilloskop.
Passen Sie die Empfindlichkeit, die Verstärkung und den Offset manuell an, um sicherzustellen, dass die Spannungswerte, die dem höchsten Scheitelpunkt und dem tiefsten Scheitel entsprechen, im Bereich des AD-Wandlers liegen. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie das Gebläse aus und warten Sie, bis die Wasseroberfläche ungestört ist. Wiederholen Sie die Kalibrierschritte für jeden Messort und jede maximale Windgeschwindigkeit, die im Versuchslauf erwartet wird.
Kalibrieren Sie nun das Laser-Slope-Messgerät. Verwenden Sie dazu ein optisches Keilprisma auf einer transparenten Stütze. Zeigen Sie die Ausgabe des Präzisionssensordetektors auf einem Oszilloskop an, um die Kalibrierung zu überprüfen.
Verwenden Sie verschiedene Prismen, um dies für mehrere Ablenkwinkel zu wiederholen. Verwenden Sie auch hier ein Prisma, um den vertikalen Laserstrahl abzulenken. Lenken Sie in diesem Fall den Strahl in eine radiale Position auf dem diffusiven Schirm ab.
Tun Sie dies mit mehreren Prismen unter Beibehaltung eines konstanten azimutalen Winkels. Zeichnen Sie für jede Position den Ausgang des Präzisionssensordetektors auf dem Oszilloskop auf. Wenn Sie fertig sind, sammeln Sie Daten, indem Sie den Laserpunkt an mehrere Positionen in X-Richtung bewegen, wobei die Y-Koordinate konstant bleibt.
Wiederholen Sie die gleichen Schritte, um die Y-Position zu verschieben und die X-Koordinate konstant zu halten. Bereiten Sie das Datenerfassungssystem so vor, dass es die gewünschten Mengen erfasst. Um das Experiment zu beginnen, stellen Sie sicher, dass kein Wind weht.
Die Wasseroberfläche sollte glatt und ungestört sein. Aktivieren Sie das Gebläse und starten Sie gleichzeitig die Datenerfassung. Wenden Sie für dieses Experiment 200 Sekunden lang einen stetigen Druck an.
Im Laufe der Zeit erreicht das System einen stationären Zustand. Verwenden Sie das Oszilloskop, um Daten anzuzeigen, während sie erfasst werden. Dies ist ein Beispiel für die Oberflächenneigungsdaten.
Links in Lee, rechts Seitenwind. Schalten Sie am Ende das Gebläse aus und sammeln Sie weiterhin Daten, um das abklingende Wellenfeld aufzuzeichnen. Lassen Sie dem Wasser ausreichend Zeit, um in einen ungestörten Zustand zurückzukehren, bevor Sie fortfahren.
Bei jeder Realisierung können drei verschiedene Stadien identifiziert werden. Das anfängliche Wellenwachstum mit einem Start des Gebläses. Das quasi-stationäre Windwellenfeld unter konstantem Windantrieb und das Abklingen der Wellen nach dem Abschalten des Gebläses.
Zahlreiche unabhängige Realisierungen des Wellenfeldes unter impulsiver Windkraft wurden aufgezeichnet. Und die Probenmittelung liefert Ergebnisse als Funktion der Zeit relativ zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Gebläses. Im Folgenden finden Sie die Daten für die Effektivwerte der momentanen Oberflächenhöhe als Funktion der Zeit.
Die Daten wurden 120 Zentimeter von der Landeklappe entfernt und für drei verschiedene Windgeschwindigkeiten aufgenommen. Die Gleichgewichts-Quasi-Steady-State-charakteristische Wellenamplitude nimmt mit der Windgeschwindigkeit zu. Beachten Sie, dass die Zeit zum Abrufen des Quasi-Steady-State-Werts nicht von der Geschwindigkeit abzuhängen scheint.
Daten für unterschiedliche Abrufwerte und dieselben drei Windgeschwindigkeiten zeigen ein ähnliches Verhalten. Diese Diagramme beziehen sich auf momentane Oberflächenhöhen. 220 Zentimeter von der Klappe und 340 Zentimeter von der Klappe entfernt.
Verwenden Sie die gleichen Daten, um die charakteristischen Wellenamplituden für einen konstanten Zielwert der Windgeschwindigkeit zu untersuchen. Dieses Diagramm für 6,5 Meter pro Sekunde ist repräsentativ und zeigt, dass die Gleichgewichtswerte der RMS-Werte der Oberflächenhöhe mit dem Abruf zunehmen. Das Experiment liefert auch Messungen der RMS-Abwind- und Seitenwindkomponenten der Oberflächenneigung.
Diese Daten beziehen sich auf zwei Werte des Abrufs, 120 Zentimeter und 340 Zentimeter. Für eine Zielwindgeschwindigkeit von 6,5 Metern pro Sekunde und auch für eine Zielwindgeschwindigkeit von 10,5 Metern pro Sekunde. Schalten Sie das Gebläse aus und die charakteristische Wellenamplitude zusammen mit den Oberflächenneigungskomponenten klingt unabhängig vom Abrufen über etwa eine Minute ab.
Einmal gemeistert, dauert eine einzelne Realisierung mit diesem Verfahren etwa acht Minuten. Die Akkumulation von 100 Realisierungen erfordert etwa 13 Stunden kontinuierliches Experiment für eine einzige Windzielgeschwindigkeit und einen festen Abruf. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, dass Wasser verdunstet und von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden sollte.
Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für die quantitative Untersuchung von Wasserwellen und stetigem Windantrieb. Nach dem Anschauen des Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie quantitative Ergebnisse zu instationären und inhomogenen Windwellenfeldern erzielt werden können.
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Übersicht
Dieses Manuskript beschreibt ein vollständig automatisiertes und computergesteuertes experimentelles Verfahren zur Untersuchung von Wasserwellen, die durch Wind beeinflusst werden. Die Methode zielt darauf ab, zuverlässige statistische Parameter zu sammeln, die die Entwicklung von Wasserwellen unter wechselnden Windbedingungen charakterisieren.
Wichtige Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Strömungsmechanik
- Wellenmechanik
- Umweltwissenschaften
Hintergrund
- Die Anregung von Wasserwellen durch Wind ist nicht vollständig verstanden.
- Die genaue Modellierung des Windanteils ist entscheidend für die Vorhersage von Wellenklimata.
- Diese Studie greift den Bedarf an zuverlässigen Daten in der Wellenforschung auf.
- Die Automatisierung von Experimenten erhöht Präzision und Effizienz.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer Methode zur Gewinnung statistischer Parameter von Wasserwellen.
- Aufklärung der Mechanismen, die die windinduzierte Wellenanregung steuern.
- Schaffung eines flexiblen experimentellen Aufbaus für verschiedene Studien zur Wind-Wellen-Generierung.
Verwendete Methoden
- Vollständig automatisiertes, computerkontrolliertes experimentelles Verfahren.
- Kleinmaßstäbliche Anlage zur kontrollierten Wellenerzeugung.
- Analyse der räumlichen und zeitlichen Entwicklung von Wasserwellen.
- Untersuchung der Auswirkungen stationärer und instationärer Windanregung.
Hauptergebnisse
- Zuverlässige statistische Parameter wurden erfolgreich ermittelt.
- Die Methode zeigte Anpassungsfähigkeit für verschiedene experimentelle Bedingungen.
- Es wurden Erkenntnisse über die Mechanismen der Wellenanregung gewonnen.
- Der automatisierte Ansatz verbesserte die Effizienz der Datensammlung.
Schlussfolgerungen
- Das automatisierte Verfahren eignet sich zur Untersuchung von Wasserwellen.
- Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wind und Wellen kann Vorhersagemodelle verbessern.
- Diese Technik kann auf eine breite Palette von Wind-Wellen-Studien angewendet werden.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode liefert quantitative Messungen der Wellendynamik unter kontrollierter Windanregung und bietet einen mechanistischen Rahmen zur Untersuchung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen, die für die maritime Technik und die Umweltmodellierung relevant sind. Durch die Erfassung zeitlich aufgelöster Daten zur Oberflächenhöhe und -neigung ermöglicht sie die Risikominderung bei Vorhersagemodellen, die in der Planung von Offshore-Infrastrukturen und der Küstenresilienz verwendet werden. Der automatisierte, reproduzierbare Workflow unterstützt die datenreiche Erzeugung von Daten zur Validierung von Simulationen der numerischen Strömungsmechanik unter wechselnden Umweltbedingungen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung von Energieübertragungsmechanismen an Flüssigkeitsgrenzflächen und unterstützt die Überprüfung von Hypothesen zu Grenzflächenphänomenen.
- Operativer Wert: Liefert standardisierte, quantifizierbare Messgrößen zur Bewertung der Systemreaktionen auf äußere Einflüsse.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt reproduzierbare zeitliche und räumliche Datensätze zur Kalibrierung von Assays in mikrofluidischen oder hydrodynamischen Systemen.
- Operativer Wert: Ermöglicht automatisierungstaugliche Arbeitsabläufe mit computerkontrollierter Anregung und synchronisierter Datenerfassung.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützt die mechanistische Risikominderung, indem Zwangsparameter mit messbarer Wellenentwicklung über die Ausdehnung und Zeit verknüpft werden.
- Operationaler Wert: Ermöglicht die Zusammenarbeit über Fachbereiche hinweg durch gemeinsame, statistisch robuste Datensätze aus unabhängigen Realisierungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Technik integriert sich in Entdeckungsworkflows, indem sie quantitative Eingabewerte für die Modellvalidierung bereitstellt, insbesondere bei Studien, die interfaciale Dynamiken oder Reaktionen auf Umweltstress beinhalten.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung von Energiedissipations- und Energieübertragungsmechanismen unter kontrollierten Anregungsbedingungen.
- Screening: Ermöglicht reproduzierbare, zeitaufgelöste Messungen, die für die Standardisierung von Assays geeignet sind.
- Analytik: Gibt Effektivwertoberflächenerhebungen und Neigungskomponenten als quantitative Endpunkte für vergleichende Analysen aus.
- Translationale Forschung: Verbindet wellendynamische Vorgänge im Labormaßstab mit ökologischen Skalierungen durch charakterisierende, fetchabhängige Analysen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform zur Untersuchung erzwungener Grenzflächensysteme unter mehreren experimentellen Bedingungen.
Operationelle und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Unschären bei der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Fluiden und Strukturen durch direkte, hochauflösende Messungen.
- Operativer Wert: Stellt Reproduzierbarkeit sicher durch automatisierte Regelung des Gebläses und Synchronisation der Sensoren über mehrere Versuchsdurchläufe hinweg.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch in der Modellentwicklung, indem Referenzdatensätze unter bekannten Anregungsbedingungen bereitgestellt werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Modellierungsansätzen auf Grundlage empirischer Daten zur Wellenentwicklung.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in Strömungsdynamik, Sensor-Kalibrierung und automatisierten Datenerfassungssystemen.
- Ist abhängig von spezieller Messtechnik, einschließlich kapazitiver Wellensensoren, Laser-Neigungssensoren und computerkontrollierten Gebläsen.
- Erfordert eine standardisierte Abstimmung zwischen den Teams hinsichtlich der Fetch-Positionierung, der Windgeschwindigkeitsprofile und der Datenverarbeitungsprotokolle.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen für unterschiedliche Beckengeometrien, Fluid-Eigenschaften und Anregungsformen.
- Ist durch Verdunstungseffekte begrenzt, die bei längeren Versuchen eine regelmäßige Nachfüllung der Flüssigkeit erforderlich machen.
