Misure delle onde in un serbatoio di ondata di vento sotto vento costante e variabili nel tempo costringendo
13 febbraio 2018
Questo manoscritto descrive una procedura completamente computerizzato che permette di ottenere dei parametri statistici affidabili da esperimenti di onde d'acqua eccitate forzando vento stabile e instabile in una struttura di piccole dimensioni.
L'obiettivo generale di questa procedura sperimentale è quello di consentire l'accumulo di diversi parametri statistici affidabili che caratterizzano l'evoluzione spaziale e temporale delle onde d'acqua in studio e la forzatura del vento dipendente dal tempo. Questo metodo può chiarire i meccanismi che regolano l'eccitazione delle onde d'acqua da parte del vento. Questi meccanismi non sono ancora stati compresi.
Una corretta modellazione dell'input del vento è essenziale per la previsione del clima delle onde. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è completamente automatizzata e controllata da computer. La procedura sperimentale può essere facilmente regolata per studiare un'ampia varietà di processi e generazione di onde del vento.
Gli esperimenti si svolgono in questa struttura, che consiste in una galleria del vento a circuito chiuso sopra un serbatoio d'onda. Questo è uno schema della struttura e di alcune delle sue caratteristiche. La direzione del flusso d'aria è indicata da frecce.
La vasca è lunga cinque metri, alta 1/2 metro e larga 4/10 di metro. Le pareti laterali della vasca e il pavimento sono realizzati in vetro sostenuto da un telaio in alluminio. C'è un flap e un generatore di onde a un'estremità del serbatoio.
Lo sportello espande dolcemente la sezione trasversale del flusso d'aria quando entra nell'area di prova e funge da riferimento per le misurazioni della distanza. Un assorbitore di energia delle onde si trova all'estremità opposta del serbatoio. Questo è costituito da materiali di imballaggio porosi utilizzati per formare una spiaggia.
C'è un carrello mobile sopra il serbatoio per contenere gli strumenti. Per l'esperimento, riempire il serbatoio fino a una profondità di 20 centimetri e precisare manualmente il carrello in modo che gli strumenti siano al fetch desiderato. Successivamente, prepara alcuni degli strumenti per l'esperimento.
Avere un tubo di Pitot che possa raggiungere il centro del flusso d'aria. Inoltre, hanno un misuratore d'onda montato su un palco verticale controllato da computer. Utilizzare il carrello per montare il tubo di Pitot al centro del flusso d'aria della sezione di prova.
Quindi, montare l'ondulatore sul carrello. Successivamente, lavora con una parte di misuratori di pendenza laser. Questi sono costituiti da un diodo laser, una lente di Fresnel, uno schermo diffusivo e un rilevatore di rilevamento di precisione.
Allineare il diodo laser alla presa desiderata sotto il serbatoio dell'acqua. Dirigere il raggio verticalmente verso l'alto. Il raggio dovrebbe essere a circa sette centimetri dall'ondulatore.
Dopo aver posizionato la lente di Fresnel e lo schermo diffusivo, utilizzare una livella per controllare l'allineamento orizzontale e verticale della lente e dello schermo prima di procedere. Regolare l'impostazione dell'obiettivo sulla distanza effettiva tra l'obiettivo e lo schermo. Per calibrare l'ondulatore, impostare la precisione verticale del sensore.
Il livello medio dell'acqua deve essere approssimativamente al centro della lunghezza del filo di rilevamento. Impostare la velocità del ventilatore su uno dei livelli desiderati e lasciare che il vento soffi costantemente per due o tre minuti. Mentre soffia il vento, monitora il segnale dell'ondulatore su un oscilloscopio.
Regolare manualmente la sensibilità, il guadagno e l'offset per garantire che i valori di tensione corrispondenti alla cresta più alta e al minimo più basso siano nell'intervallo del convertitore AD. Al termine, spegnere il soffiatore e attendere che la superficie dell'acqua non sia disturbata. Ripetere le fasi di calibrazione per ogni posizione di misurazione e la velocità massima del vento prevista nell'esecuzione sperimentale.
Ora, calibra il misuratore di pendenza laser. A tal fine, utilizzare un prisma ottico a cuneo su un supporto trasparente. Visualizza l'uscita del rilevatore di rilevamento di precisione su un oscilloscopio per verificare la calibrazione.
Utilizzare prismi diversi per ripetere l'operazione per diversi angoli di deflessione. Ancora una volta, usa un prisma per deviare il raggio laser verticale. In questo caso, deviare il raggio in posizione radiale sullo schermo diffusivo.
Fallo con più prismi mantenendo un angolo azimutale costante. Per ogni posizione, registrare l'uscita del rilevatore di rilevamento di precisione sull'oscilloscopio. Al termine, raccogli i dati spostando il punto laser in più posizioni nella direzione X mantenendo costante la coordinata Y.
Ripetere gli stessi passaggi spostando la posizione Y e mantenendo costante la coordinata X. Predisporre il sistema di acquisizione dati per registrare le grandezze desiderate. Per iniziare l'esperimento, assicurati che non ci sia vento.
La superficie dell'acqua deve essere liscia e indisturbata. Attivare il ventilatore e avviare contemporaneamente l'acquisizione dei dati. Per questo esperimento, applicare una forzatura costante per 200 secondi.
Nel tempo, il sistema raggiungerà uno stato stazionario. Utilizzare l'oscilloscopio per visualizzare i dati man mano che vengono raccolti. Questo è un esempio dei dati sulla pendenza della superficie.
Sottovento a sinistra, vento laterale a destra. Al termine, spegnere il ventilatore e continuare a raccogliere dati per registrare il campo d'onda in decadimento. Attendere un tempo sufficiente affinché l'acqua torni a uno stato indisturbato prima di continuare.
In ogni realizzazione, si possono identificare tre fasi distinte. La crescita iniziale dell'onda con un inizio del soffiatore. Il campo d'onda del vento quasi costante sotto la costante forzatura del vento e il decadimento delle onde dopo lo spegnimento del ventilatore.
Sono state registrate numerose realizzazioni indipendenti del campo d'onda sotto la forzatura impulsiva del vento. E la media del campione fornisce risultati in funzione del tempo relativo all'istante di avvio del soffiatore. Di seguito sono riportati i dati per i valori RMS dell'elevazione istantanea della superficie in funzione del tempo.
I dati sono stati presi a 120 centimetri dal flap e per tre diverse velocità del vento. L'ampiezza dell'onda caratteristica dello stato quasi stazionario di equilibrio aumenta con la velocità del vento. Si noti che il tempo per ottenere il valore dello stato quasi stazionario non sembra dipendere dalla velocità.
I dati per diversi valori di recupero e le stesse tre velocità del vento mostrano un comportamento simile. Questi grafici sono per le elevazioni istantanee della superficie. 220 centimetri dal lembo e 340 centimetri dal lembo.
Utilizza gli stessi dati per esplorare le ampiezze d'onda caratteristiche per un valore target costante della velocità del vento. Questo grafico, per 6,5 metri al secondo, è rappresentativo e dimostra i valori di equilibrio dei valori RMS dell'elevazione della superficie che aumenta con il recupero. L'esperimento fornisce anche misurazioni delle componenti RMS sottovento e vento trasversale della pendenza superficiale.
Questi dati si riferiscono a due valori del fetch, 120 centimetri e 340 centimetri. Per una velocità del vento target di 6,5 metri al secondo e anche per una velocità del vento target di 10,5 metri al secondo. Spegnendo il ventilatore, l'ampiezza caratteristica dell'onda, insieme ai componenti della pendenza superficiale, decade in circa un minuto, indipendentemente dal recupero.
Una volta padroneggiata, una singola realizzazione con questa procedura richiede circa otto minuti. L'accumulo di 100 realizzazioni richiede circa 13 ore di esperimento continuo per una singola velocità target del vento e un recupero fisso. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che l'acqua evapora e deve essere reintegrata di tanto in tanto.
Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada all'indagine quantitativa delle onde d'acqua e alla forzatura costante del vento. Dopo aver visto il video, dovresti avere una buona comprensione di come si possono ottenere risultati quantitativi su campi vento-onda instabili e disomogenei.
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Panoramica
Questo manoscritto descrive una procedura sperimentale completamente automatizzata e controllata dal computer per lo studio delle onde marine influenzate dal vento. Il metodo ha lo scopo di raccogliere parametri statistici affidabili che caratterizzino l'evoluzione delle onde marine in condizioni di vento variabili.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Dinamica dei fluidi
- Meccanica delle onde
- Scienze ambientali
Background
- L'eccitazione delle onde dell'acqua da parte del vento non è completamente compresa.
- Una modellizzazione accurata dell'apporto del vento è fondamentale per prevedere i climi ondosi.
- Questo studio affronta la necessità di dati affidabili nella ricerca sulle onde.
- L'automazione negli esperimenti migliora la precisione e l'efficienza.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per ottenere parametri statistici delle onde marine.
- Chiarire i meccanismi che regolano l'eccitazione delle onde indotta dal vento.
- Fornire un apparato sperimentale flessibile per diversi studi sulla generazione di onde da vento.
Metodi Utilizzati
- Procedura sperimentale completamente automatizzata e controllata dal computer.
- Impianto su piccola scala per la generazione controllata di onde.
- Analisi dell'evoluzione spaziale e temporale delle onde d'acqua.
- Studio degli effetti di forzanti stazionari e non stazionari del vento.
Risultati principali
- Sono stati ottenuti con successo parametri statistici affidabili.
- Il metodo ha dimostrato adattabilità a diverse condizioni sperimentali.
- Sono state acquisite informazioni sui meccanismi di eccitazione delle onde.
- L'approccio automatizzato ha migliorato l'efficienza della raccolta dei dati.
Conclusioni
- La procedura automatizzata è efficace per lo studio delle onde marine.
- Comprendere le interazioni tra vento e onde può migliorare i modelli di previsione.
- Questa tecnica può essere applicata a un'ampia gamma di studi sulle onde generate dal vento.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Documento
Questo metodo fornisce misurazioni quantitative della dinamica delle onde in condizioni di vento controllato, offrendo un quadro meccanicistico per lo studio delle interazioni fluido-struttura rilevanti per l'ingegneria marina e la modellistica ambientale. Registrando dati risolti nel tempo sull'elevazione e la pendenza della superficie, consente di ridurre i rischi associati ai modelli predittivi utilizzati nella progettazione di infrastrutture offshore e nella pianificazione della resilienza costiera. Il flusso di lavoro automatizzato e riproducibile supporta la generazione ad alta produttività di dati per la validazione di simulazioni di dinamica dei fluidi computazionale in diverse condizioni ambientali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi dei meccanismi di trasferimento dell'energia alle interfacce di un fluido, supportando la verifica di ipotesi sui fenomeni interfaciali.
- Valore operativo: Fornisce letture standardizzate e quantificabili per valutare la risposta del sistema a stimoli esterni.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera set di dati temporali e spaziali riproducibili per la calibrazione di saggi in sistemi microfluidici o idrodinamici.
- Valore operativo: Facilita flussi di lavoro pronti per l'automazione, con forzamento controllato da computer e acquisizione sincronizzata dei dati.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta la riduzione del rischio meccanicistico collegando i parametri forzanti all'evoluzione misurabile delle onde in funzione della fetch e del tempo.
- Valore operativo: Permette la collaborazione interfunzionale attraverso set di dati condivisi e statisticamente robusti ottenuti da realizzazioni indipendenti.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La tecnica si integra nei flussi di lavoro di scoperta fornendo dati quantitativi per la validazione dei modelli, in particolare in studi che coinvolgono dinamiche interfaciali o risposte a stress ambientali.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sui meccanismi di dissipazione e trasferimento dell'energia in condizioni di forzamento controllato.
- Screening: Fornisce misurazioni riproducibili e risolte nel tempo, adatte alla standardizzazione dei saggi.
- Analisi: Genera come parametri quantitativi la deviazione standard (RMS) dell'elevazione superficiale e le componenti di pendenza, utili per analisi comparative.
- Ricerca Translazionale: Collega la dinamica delle onde a scala di laboratorio a modelli di scala ambientale attraverso una caratterizzazione dipendente dalla lunghezza d'acqua percorsa (fetch).
- Riutilizzo Aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile per lo studio di sistemi interfacciali forzati in diverse condizioni sperimentali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica negli studi sulle interazioni fluido-struttura mediante misurazioni dirette ad alta risoluzione.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità grazie al controllo automatizzato del soffiante e alla sincronizzazione dei sensori tra le diverse prove.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di proseguito o interruzione nello sviluppo dei modelli fornendo set di dati di riferimento in condizioni di forzante note.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione degli approcci di modellizzazione adeguata al rischio, basata su dati empirici sull'evoluzione delle onde.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in dinamica dei fluidi, calibrazione dei sensori e sistemi automatizzati di acquisizione dati.
- Si basa su strumentazione specializzata, tra cui sensori capacitivi per onde, sensori laser per pendenze e soffiatori controllati da computer.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro riguardo alla posizione del fetch, ai profili di velocità del vento e ai protocolli di elaborazione dei dati.
- Comporta considerazioni di adattamento per diverse geometrie delle vasche, proprietà dei fluidi e forme d'onda forzanti.
- È limitato dagli effetti di evaporazione, che richiedono un reintegro periodico del fluido durante prove prolungate.
