定常および時間変化の風強制の下で風波浪水槽における波の計測

この実験手順の全体的な目標は、研究中の水波の空間的および時間的進化と時間依存の風の強制を特徴付ける、多様で信頼性の高い統計パラメータの蓄積を可能にすることです。この手法により、風による水波の加振を支配するメカニズムを明らかにすることができます。これらのメカニズムはまだ理解されていません。

波浪気候予測には、風入力の適切なモデリングが不可欠です。この手法の主な利点は、完全に自動化され、コンピューター制御されていることです。実験手順は、さまざまなプロセスや風波発生の研究のために簡単に調整できます。

実験は、波浪タンクの上にある閉ループ風洞で構成されるこの施設で行われます。これは、施設とその機能の一部を概略図したものです。気流の方向は矢印で示されます。

タンクの長さは5メートル、高さは1/2メートル、幅は4/10メートルです。タンクの側壁と床はガラス製で、アルミフレームで支えられています。タンクの一端にはフラップとウェーブジェネレーターがあります。

フラップは、テストエリアに入るときに気流の断面をスムーズに拡大し、距離測定の基準として機能します。波のエネルギー吸収体はタンクの反対側の端にあります。これは、ビーチを形成するために使用される多孔質の梱包材で構成されています。

タンクの上には、計器を保持するための可動式キャリッジがあります。実験では、タンクを20センチメートルの深さまで満たし、キャリッジを手動で精密化して、機器が目的のフェッチになるようにします。次に、実験用の機器をいくつか用意します。

気流の中心に到達できるピトー管を用意してください。さらに、コンピューター制御の垂直ステージに取り付けられたウェーブゲージがあります。キャリッジを使用して、ピトー管をテストセクションの気流の中央に取り付けます。

次に、ウェーブゲージをキャリッジに取り付けます。次に、レーザースロープゲージパーツで作業します。これらは、レーザーダイオード、フレネルレンズ、拡散スクリーン、精密センシング検出器で構成されています。

レーザーダイオードを水タンクの下の目的のフェッチに合わせます。ビームを垂直に上向きにします。ビームは波動計から約7センチメートル離れている必要があります。

フレネルレンズと拡散スクリーンを配置した後、レベルを使用してレンズとスクリーンの水平方向と垂直方向の位置合わせを確認してから続行します。レンズの設定を、レンズと画面の間の実際の距離に調整します。ウェーブゲージを校正するには、センサーの垂直精度を設定します。

平均水位は、センシングワイヤの長さのほぼ中央にある必要があります。ブロワーの速度を希望のレベルのいずれかに設定し、風が2〜3分間安定して吹くのを待ちます。風が吹いたら、オシロスコープでウェーブゲージの信号を監視します。

感度、ゲイン、オフセットを手動で調整して、最も高い山と最も低い谷に対応する電圧値がADコンバーターの範囲内にあることを確認します。完了したら、ブロワーをシャットダウンし、水面が乱れなくなるまで待ちます。実験実行で予想される各測定場所と最大風速について、キャリブレーション手順を繰り返します。

次に、レーザー傾斜計を校正します。このためには、透明なサポートに光学ウェッジプリズムを使用します。高精度センシング検出器の出力をオシロスコープで表示して、キャリブレーションを確認します。

異なるプリズムを使用して、これをいくつかの偏向角度で繰り返します。もう一度、プリズムを使用して垂直レーザービームを偏向させます。この場合、ビームを拡散スクリーン上の半径方向の位置に偏向させます。

これは、一定の方位角を維持しながら、いくつかのプリズムで行います。各位置について、高精度検出検出器の出力をオシロスコープに記録します。完了したら、レーザースポットをY座標を一定に保ちながらX方向の複数の位置に移動してデータを収集します。

同じ手順を繰り返して、Y 位置を移動し、X 座標を一定に保ちます。必要な数量を記録するためのデータ収集システムを準備します。実験を開始するには、風がないことを確認してください。

水面は滑らかで邪魔されていない必要があります。ブロワーを作動させると同時に、データ取得を開始します。この実験では、200秒間定常的な強制力を適用します。

時間の経過とともに、システムは定常状態になります。オシロスコープを使用して、収集中のデータを表示します。これは、サーフェス傾斜角データの例です。

左がダウンウィンド、右が横風。最後に、ブロワーをシャットダウンし、減衰波場を記録するためのデータを収集し続けます。続行する前に、水が乱されていない状態に戻るのに十分な時間を確保してください。

各実現では、3つの異なる段階を特定できます。ブロワーの開始による初期波の成長。一定の風力下での準定常風波場、およびブロワーのシャットダウン後の波の減衰。

衝撃的な風力下での波浪場の多数の独立した実現が記録されました。また、サンプル平均化は、ブロワーの開始瞬間に対する時間の関数として結果を提供します。次に、瞬間的なサーフェス標高の RMS 値を時間の関数として表したデータを示します。

データは、フラップから 120 cm のところで、3 つの異なる風速で取得されました。平衡準定常状態の特性波の振幅は、風速とともに増加します。準定常状態の値を取得する時間は、速度に依存しないようです。

異なるフェッチ値と同じ 3 つの風速のデータは、同様の動作を示します。これらのプロットは、瞬間的なサーフェスの標高用です。フラップから 220 センチメートル、フラップから 340 センチメートル。

同じデータを使用して、風速の一定の目標値に対する特性波の振幅を調べます。このプロットは、毎秒 6.5 メートルの代表的なもので、フェッチに伴って増加するサーフェス標高の RMS 値の平衡値を示しています。この実験では、表面斜面の風下および横風のRMS成分の測定も提供されます。

これらのデータは、フェッチの 2 つの値 (120 センチメートルと 340 センチメートル) 用です。目標風速が毎秒6.5メートルの場合、および目標風速が毎秒10.5メートルの場合。ブロワーをオフにすると、特性波の振幅と表面の傾斜成分がフェッチとは無関係に約1分で減衰します。

一度マスターすると、この手順を使用した1つの実現に約8分かかります。100 回のリアライゼーションを蓄積するには、1 つの風のターゲット速度と固定フェッチに対して約 13 時間の連続実験が必要です。この手順を試みる際には、水が蒸発するため、時々補充する必要があることを覚えておくことが重要です。

その開発後、この技術は、水波と定常的な風の強制力を定量的に調査する道を開きました。ビデオを見た後、非定常で不均一な風波場で定量的な結果が得られる方法についてよく理解できるはずです。