Mediciones de las ondas en un tanque de ondas de viento con viento constante y varían con el tiempo obligando a
13 de febrero de 2018
Este manuscrito describe un procedimiento completamente controlado por ordenador que permite la obtención de parámetros estadísticos confiables de experimentos de ondas del agua emocionados forzando el viento inestable y estable en una instalación de pequeña escala.
El objetivo general de este procedimiento experimental es permitir la acumulación de diversos parámetros estadísticos fiables que caractericen la evolución espacial y temporal de las olas de agua en estudio y el forzamiento del viento dependiente del tiempo. Este método puede aclarar el mecanismo que gobierna la excitación de las olas de agua por el viento. Estos mecanismos aún no se comprenden.
El modelado adecuado de la entrada de viento es esencial para la predicción del clima de olas. La principal ventaja de esta técnica es que está totalmente automatizada y controlada por ordenador. El procedimiento experimental se puede ajustar fácilmente para estudiar una amplia variedad de procesos y generación de ondas de viento.
Los experimentos se llevan a cabo en esta instalación, que consiste en un túnel de viento de circuito cerrado sobre un tanque de olas. Este es un esquema de la instalación y algunas de sus características. La dirección del flujo de aire se indica con flechas.
El tanque mide cinco metros de largo, 1/2 metros de alto y 4/10 de metro de ancho. Las paredes laterales y el piso del tanque están hechos de vidrio soportado por un marco de aluminio. Hay un flap y un generador de ondas en un extremo del tanque.
La aleta expande suavemente la sección transversal del flujo de aire a medida que ingresa al área de prueba y sirve como referencia para las mediciones de distancia. Un absorbedor de energía undimotriz se encuentra en el extremo opuesto del tanque. Consiste en materiales de embalaje porosos que se utilizan para formar una playa.
Hay un carro móvil sobre el tanque para sostener los instrumentos. Para el experimento, llene el tanque hasta una profundidad de 20 centímetros y precisión manual el carro para que los instrumentos estén en el punto deseado. A continuación, prepare algunos de los instrumentos para el experimento.
Tenga un tubo de Pitot que pueda llegar al centro del flujo de aire. Además, tenga un medidor de onda que esté montado en un escenario vertical controlado por computadora. Utilice el carro para montar el tubo de Pitot en el centro del flujo de aire de la sección de prueba.
Luego, monte el medidor de onda en el carro. A continuación, trabaje con una pieza de medidores de pendiente láser. Estos consisten en un diodo láser, una lente de Fresnel, una pantalla difusiva y un detector de detección de precisión.
Alinee el diodo láser en el fetch deseado debajo del tanque de agua. Dirija el haz verticalmente hacia arriba. El haz debe estar a unos siete centímetros del medidor de onda.
Después de colocar la lente Fresnel y la pantalla difusiva, use un nivel para verificar la alineación horizontal y vertical de la lente y la pantalla antes de continuar. Ajuste la configuración de la lente a la distancia real entre la lente y la pantalla. Para calibrar el medidor de onda, establezca la precisión vertical del sensor.
El nivel medio del agua debe estar aproximadamente en la mitad de la longitud del cable de detección. Ajuste la velocidad del soplador a uno de los niveles deseados y deje que el viento sople de manera constante durante dos o tres minutos. A medida que sopla el viento, monitoree la señal del medidor de onda en un osciloscopio.
Ajuste manualmente la sensibilidad, la ganancia y la compensación para garantizar que los valores de voltaje correspondientes a la cresta más alta y la depresión más baja estén en el rango del convertidor AD. Cuando termine, apague el soplador y espere hasta que la superficie del agua no se altere. Repita los pasos de calibración para cada ubicación de medición y la velocidad máxima del viento esperada en la ejecución experimental.
Ahora, calibra el medidor de pendiente láser. Para ello, utilice un prisma de cuña óptica sobre un soporte transparente. Vea la salida del detector de detección de precisión en un osciloscopio para verificar la calibración.
Utilice diferentes prismas para repetir esto para varios ángulos de deflexión. Una vez más, use un prisma para desviar el rayo láser vertical. En este caso, desvíe el haz a una posición radial en la pantalla difusiva.
Haga esto con varios prismas mientras mantiene un ángulo acimutal constante. Para cada posición, registre la salida del detector de detección de precisión en el osciloscopio. Cuando haya terminado, recopile datos moviendo el punto láser a múltiples posiciones en la dirección X, manteniendo constante la coordenada Y.
Repita los mismos pasos moviendo la posición Y y manteniendo constante la coordenada X. Prepare el sistema de adquisición de datos para registrar las cantidades deseadas. Para comenzar el experimento, asegúrate de que no haya viento.
La superficie del agua debe ser lisa y no debe ser perturbada. Active el soplador e inicie la adquisición de datos al mismo tiempo. Para este experimento, aplique una fuerza constante durante 200 segundos.
Con el tiempo, el sistema alcanzará un estado estacionario. Utilice el osciloscopio para mostrar los datos a medida que se recopilan. Este es un ejemplo de los datos de pendiente de superficie.
A sotavento a la izquierda, viento cruzado a la derecha. Al concluir, apague el soplador y continúe recopilando datos para registrar el campo de onda en descomposición. Deje suficiente tiempo para que el agua vuelva a un estado inalterado antes de continuar.
En cada realización, se pueden identificar tres etapas distintas. El crecimiento inicial de la onda con el inicio del soplador. El campo de ondas de viento casi constante bajo el forzamiento constante del viento, y el decaimiento de las olas después del apagado del soplador.
Se registraron numerosas realizaciones independientes del campo ondulatorio bajo el forzamiento impulsivo del viento. Y el promedio de muestras proporciona resultados en función del tiempo en relación con el instante de inicio del soplador. Estos son los datos de los valores RMS de la elevación instantánea de la superficie en función del tiempo.
Los datos se tomaron a 120 centímetros de la solapa y para tres velocidades de viento diferentes. La amplitud de onda característica del estado cuasi-estacionario de equilibrio aumenta con la velocidad del viento. Tenga en cuenta que el tiempo para obtener el valor de estado cuasi-estacionario no parece depender de la velocidad.
Los datos para diferentes valores de recuperación y las mismas tres velocidades del viento muestran un comportamiento similar. Estas parcelas son para elevaciones superficiales instantáneas. A 220 centímetros de la solapa y a 340 centímetros de la solapa.
Utilice los mismos datos para explorar las amplitudes de onda características para un valor objetivo constante de la velocidad del viento. Este gráfico, para 6,5 metros por segundo, es representativo y muestra los valores de equilibrio de los valores RMS de los aumentos de elevación de la superficie con fetch. El experimento también proporciona mediciones de los componentes RMS de viento a favor y viento cruzado del talud de la superficie.
Estos datos son para dos valores de la captura, 120 centímetros y 340 centímetros. Para una velocidad del viento objetivo de 6,5 metros por segundo, y también para una velocidad del viento objetivo de 10,5 metros por segundo. Apague el soplador y la amplitud de onda característica, junto con los componentes de la pendiente de la superficie, decaerá durante aproximadamente un minuto, independientemente de la búsqueda.
Una vez dominado, una sola realización utilizando este procedimiento tarda unos ocho minutos. La acumulación de 100 realizaciones requiere alrededor de 13 horas de experimento continuo para una sola velocidad objetivo de viento y una búsqueda fija. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que el agua se evapora y debe reponerse de vez en cuando.
Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para la investigación cuantitativa de las olas de agua y el forzamiento constante del viento. Después de ver el video, debería tener una buena comprensión de cómo se pueden obtener resultados cuantitativos en campos de ondas de viento inestables y no homogéneos.
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Resumen
Este manuscrito describe un procedimiento experimental completamente automatizado y controlado por computadora para estudiar ondas de agua influenciadas por el viento. El método tiene como objetivo recopilar parámetros estadísticos confiables que caractericen la evolución de las ondas de agua bajo condiciones variables de viento.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Dinámica de fluidos
- Mecánica de ondas
- Ciencia ambiental
Antecedentes
- La excitación de las olas en el agua por el viento no se comprende completamente.
- La modelización precisa de la aportación del viento es fundamental para predecir los regímenes de olas.
- Este estudio aborda la necesidad de datos confiables en la investigación de olas.
- La automatización en los experimentos mejora la precisión y la eficiencia.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método para obtener parámetros estadísticos de ondas de agua.
- Clarificar los mecanismos que rigen la excitación de ondas inducidas por el viento.
- Proporcionar una configuración experimental flexible para diversos estudios de generación de ondas por viento.
Métodos Utilizados
- Procedimiento experimental completamente automatizado y controlado por computadora.
- Instalación a pequeña escala para la generación controlada de ondas.
- Análisis de la evolución espacial y temporal de las ondas de agua.
- Investigación de los efectos de la fuerza del viento estacionario y no estacionario.
Resultados principales
- Se obtuvieron con éxito parámetros estadísticos confiables.
- El método demostró adaptabilidad para diversas condiciones experimentales.
- Se obtuvieron conocimientos sobre los mecanismos de excitación de ondas.
- El enfoque automatizado mejoró la eficiencia en la recolección de datos.
Conclusiones
- El procedimiento automatizado es efectivo para estudiar las ondas de agua.
- Comprender las interacciones entre el viento y las olas puede mejorar los modelos de predicción.
- Esta técnica puede aplicarse a una amplia gama de estudios sobre olas generadas por el viento.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método proporciona mediciones cuantitativas de la dinámica de ondas bajo fuerzas de viento controladas, ofreciendo un marco mecanicista para estudiar las interacciones fluido-estructura relevantes para la ingeniería marina y la modelización ambiental. Al capturar datos resueltos en el tiempo de la elevación y pendiente de la superficie, permite reducir los riesgos de los modelos predictivos utilizados en el diseño de infraestructuras mar adentro y en la planificación de la resiliencia costera. El flujo de trabajo automatizado y reproducible facilita la generación de grandes volúmenes de datos para validar simulaciones de dinámica de fluidos computacional en distintas condiciones ambientales.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar los mecanismos de transferencia de energía en interfaces fluidos, apoyando la comprobación de hipótesis en fenómenos interfaciales.
- Valor operativo: Proporciona lecturas estandarizadas y cuantificables para evaluar las respuestas del sistema a fuerzas externas.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera conjuntos de datos temporales y espaciales reproducibles para la calibración de ensayos en sistemas microfluídicos o hidrodinámicos.
- Valor operativo: Facilita flujos de trabajo listos para automatización mediante forzamiento controlado por computadora y adquisición de datos sincronizada.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Apoya la reducción de riesgos mecanicistas al vincular parámetros de forzamiento con la evolución medible de las olas a lo largo de la extensión y el tiempo.
- Valor operativo: Permite la colaboración entre funciones mediante conjuntos de datos compartidos y estadísticamente robustos provenientes de realizaciones independientes.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
La técnica se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento al proporcionar entradas cuantitativas para la validación de modelos, particularmente en estudios que involucran dinámicas interfaciales o respuestas al estrés ambiental.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre mecanismos de disipación y transferencia de energía bajo fuerzas controladas.
- Selección: Proporciona mediciones reproducibles y resueltas en el tiempo, adecuadas para la estandarización de ensayos.
- Análisis: Genera componentes cuadráticos medios (RMS) de elevación y pendiente de la superficie como puntos finales cuantitativos para análisis comparativo.
- Investigación Traducional: Relaciona la dinámica de ondas a escala de laboratorio con la escala ambiental mediante una caracterización dependiente de la longitud de embate (fetch).
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para estudiar sistemas interfaciales forzados en múltiples condiciones experimentales.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reduce la ambigüedad mecanicista en los estudios de interacción fluido-estructura mediante mediciones directas de alta resolución.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad mediante el control automatizado del soplador y la sincronización de sensores entre ensayos.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de continuar o descartar en el desarrollo de modelos al proporcionar conjuntos de datos de referencia bajo forzamientos conocidos.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de enfoques de modelado basada en datos empíricos de evolución de ondas.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en dinámica de fluidos, calibración de sensores y sistemas automatizados de adquisición de datos.
- Depende de instrumentación especializada, incluyendo medidores de altura de onda por capacitancia, medidores láser de pendiente y sopladores controlados por computadora.
- Necesita la estandarización entre equipos en cuanto a la posición de la longitud de viento, los perfiles de velocidad del viento y los protocolos de procesamiento de datos.
- Implica consideraciones de adaptación para diferentes geometrías de tanques, propiedades del fluido y formas de onda forzadas.
- Está limitado por los efectos de evaporación, que requieren reposición periódica del fluido durante ensayos prolongados.
