Artykuł metodologiczny

Pomiary fal w zbiorniku fal wiatrowych pod wpływem stałego i zmiennego w czasie wymuszenia wiatru

8.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56480

⸱

13 lutego 2018

 , 
1School of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Tel-Aviv University

W tym artykule

Podsumowanie

Ten manuskrypt opisuje w pełni sterowaną komputerowo procedurę, która pozwala na uzyskanie wiarygodnych parametrów statystycznych z eksperymentów fal wodnych wzbudzonych przez stały i niestabilny wiatr wymuszający w małym obiekcie.

Streszczenie

Ten manuskrypt opisuje eksperymentalną procedurę, która pozwala na uzyskanie różnorodnych informacji ilościowych na temat czasowej i przestrzennej ewolucji fal wodnych wzbudzonych przez zależne od czasu i stałe wymuszanie wiatru. Pojemnościowy miernik falowy i laserowy miernik nachylenia (LSG) służą do pomiaru chwilowej wysokości powierzchni wody i dwóch składowych chwilowego nachylenia powierzchni w wielu miejscach wzdłuż odcinka testowego obiektu fal wiatrowych. Dmuchawa sterowana komputerowo zapewnia przepływ powietrza nad wodą w zbiorniku, którego szybkość może się zmieniać w czasie. W obecnych eksperymentach prędkość wiatru w sekcji testowej początkowo szybko wzrasta od spoczynku do ustawionej wartości. Następnie utrzymuje się go na stałym poziomie przez określony czas; Na koniec przepływ powietrza zostaje odcięty. Na początku każdego przejazdu eksperymentalnego powierzchnia wody jest spokojna i nie ma wiatru. Praca dmuchawy jest inicjowana jednocześnie z akwizycją danych dostarczanych przez wszystkie czujniki przez komputer; Akwizycja danych trwa do momentu, gdy fale w zbiorniku całkowicie zanikną. Wiele niezależnych przebiegów przeprowadzonych w identycznych warunkach wymuszania pozwala na wyznaczenie statystycznie wiarygodnych parametrów charakterystycznych uśrednionych zespołowo, które ilościowo opisują zmienność fal wiatrowych w czasie dla początkowego etapu rozwoju w funkcji pobierania. Procedura pozwala również scharakteryzować ewolucję przestrzenną pola falowego pod wpływem stałego wymuszenia wiatru, a także zanik fal w czasie, po wyłączeniu wiatru, w funkcji pobierania.

Wprowadzenie

Od czasów starożytnych wiadomo, że fale na powierzchni wody są wzbudzane przez wiatr. Obecne rozumienie mechanizmów fizycznych sterujących tym procesem jest dalekie od satysfakcjonującego. Na przestrzeni lat zaproponowano liczne teorie próbujące opisać generowanie fal wiatrowych1,2,3,4, jednak ich wiarygodna walidacja eksperymentalna nie jest jeszcze dostępna. Pomiary przypadkowych fal wiatrowych w oceanie są niezwykle trudne ze względu na nieprzewidywalny wiatr, który może gwałtownie zmieniać kierunek oraz siłę. Eksperymenty laboratoryjne mają tę zaletę, że umożliwiają kontrolowanie warunków, co pozwala na prowadzenie długotrwałych i powtarzalnych pomiarów.

W warunkach laboratoryjnych przy stałym wymuszaniu wiatrem, fale wiatrowe ewoluują w przestrzeni. Wczesne eksperymenty laboratoryjne dotyczące fal pod wpływem stałego wymuszania, przeprowadzone przed dziesięcioleciami, ograniczały się do pomiarów chwilowego poziomu powierzchni5,6,7,8. W nowszych badaniach zastosowano również różne techniki optyczne do pomiaru chwilowego kąta nachylenia powierzchni wody, takie jak LSG9,10. Pomiary te pozwoliły na uzyskanie pewnych ograniczonych informacji jakościowych na temat trójwymiarowej struktury pól fal wiatrowych. Gdy wymuszanie wiatrem jest niestabilne, co ma miejsce w eksperymentach terenowych, problem wzbudzania fal wodnych przez wiatr staje się bardziej złożony, ponieważ parametry statystyczne wynikającego z tego pola fal zmieniają się nie tylko w przestrzeni, ale również w czasie. Dotychczasowe próby jakościowego i ilościowego opisania wzorców ewolucji fal przy wymuszaniu zależnym od czasu zakończyły się jedynie częściowym sukcesem1,12,13,14,15,16. Względny wkład różnych prawdopodobnych mechanizmów fizycznych, które mogą prowadzić do wzbudzania i wzrostu fal pod wpływem działania wiatru, pozostaje w dużej mierze nieznany.

Nasza instalacja eksperymentalna została zaprojektowana w celu umożliwienia gromadzenia dokładnych i zróżnicowanych informacji statystycznych na temat zmienności charakterystyk pola fal wiatrowych przy stałym lub zmiennym wymuszaniu wiatrem. Przeprowadzenie tych szczegółowych badań ułatwiły dwa główne czynniki. Po pierwsze, niewielki rozmiar instalacji skutkuje stosunkowo krótkimi charakterystycznymi skalami ewolucji w czasie i przestrzeni. Po drugie, cały eksperyment jest w pełni sterowany komputerowo, co umożliwia automatyczne przeprowadzanie serii pomiarowych w różnych warunkach eksperymentalnych praktycznie bez ingerencji człowieka. Cechy te konfiguracji eksperymentalnej mają kluczowe znaczenie przy przeprowadzaniu doświadczeń nad falami wzbudzanymi ze stanu spoczynku przez impulsowy wiatr.

Przestrzenny wzrost fal wiatrowych przy stałym wymuszaniu był badany w naszej placówce dla zakresu prędkości wiatru17. Wyniki porównano z szacunkami tempa wzrostu opartymi na teorii Milesa18 przedstawionej przez Planta19. Porównanie wykazało, że wyniki eksperymentalne różnią się znacząco od przewidywań teoretycznych. W pracy17 uzyskano również dodatkowe istotne parametry, takie jak średni spadek ciśnienia w sekcji próbnej, a także wartości bezwzględne i fazy charakterystycznych fluktuacji ciśnienia statycznego. Naprężenie ścinające na granicy powietrze-woda jest kluczowe dla charakterystyki transferu pędu i energii między wiatrem a falami17,19. Dlatego przeprowadzono szczegółowe pomiary logarytmicznej warstwy przyściennej i fluktuacji turbulentnych w przepływie powietrza nad falami wody dla licznych odcinków rozbiegu i prędkości wiatru20. Wartości prędkości tarcia u* na granicy powietrze-woda wyznaczone w tym badaniu zostały wykorzystane do uzyskania bezwymiarowych parametrów statystycznych fal wiatrowych mierzonych w naszej placówce21. Wartości te porównano z odpowiednimi parametrami bezwymiarowymi uzyskanymi w większych instalacjach eksperymentalnych i doświadczeniach polowych. Wykazano wcześniej21, że przy odpowiednim skalowaniu istotne charakterystyki pola fal wiatrowych uzyskane w naszej małoskalowej placówce nie różnią się znacząco od odpowiadających im danych zgromadzonych w większych instalacjach laboratoryjnych i pomiarach na otwartym morzu. Parametry te obejmują przestrzenny wzrost reprezentatywnej wysokości fali i długości fali, kształt widma częstotliwości podniesienia powierzchni, a także wartości wyższych momentów statystycznych.

Kolejne badania przeprowadzone w naszej placówce2,23 wykazały, że fale wiatrowe są w zasadzie losowe i trójwymiarowe. Aby lepiej zrozumieć strukturę 3D fal wiatrowych, podjęto próbę przeprowadzenia ilościowych pomiarów czasowych poziomu powierzchni wody na rozległym obszarze z wykorzystaniem stereoobrazowania wideo2. Ze względu na niewystarczającą w chwili obecności moc obliczeniową komputerów oraz algorytmy przetwarzania, które nie są jeszcze wystarczająco efektywne, próby te okazały się jedynie częściowo udane. Wykazano jednak, że połączone zastosowanie konwencjonalnego pomiarowca fal pojemnościowego oraz LSG dostarcza cennych informacji o przestrzennej strukturze fal wiatrowych. Jednoczesne zastosowanie obu tych instrumentów umożliwia niezależne pomiary z wysoką rozdzielczością czasową chwilowego poziomu powierzchni oraz dwóch składowych chwilowego nachylenia powierzchni23. Pomiary te pozwalają na oszacowanie zarówno częstotliwości dominującej, jak i dominującej długości fal, a także dają wgląd w strukturę fal w kierunku prostopadłym do wiatru. Zestaw czujników uzupełnia rurka Pitota, która może być przemieszczana pionowo za pomocą sterowanego komputerowo silnika i służy do pomiarów prędkości wiatru.

Wszystkie te badania wykazały, że losowość i trójwymiarowość fal wiatrowych prowadzą do znacznej zmienności mierzonych parametrów, nawet przy stałym wymuszaniu wiatrem i pojedynczym punkcie pomiarowym. W związku z tym konieczne są długotrwałe pomiary, których czas trwania jest współmierny do charakterystycznych skal czasowych mierzonego pola fal, aby zgromadzić wystarczającą ilość informacji do wyznaczenia wiarygodnych wartości statystycznych. Aby uzyskać wartościowe spostrzeżenia fizyczne na temat mechanizmów sterujących zmiennością przestrzenną pola fal, niezbędne jest przeprowadzenie pomiarów w wielu lokalizacjach oraz dla jak największej liczby wartości prędkości przepływu powietrza w sekcji badawczej. W celu osiągnięcia tego celu wysoce pożądane jest zastosowanie zautomatyzowanej procedury eksperymentalnej.

Eksperymenty dotyczące fal wzbudzanych przez niestacjonarne wymuszanie wiatrem wprowadzają dodatkowy poziom złożoności. W tego typu badaniach konieczne jest powiązanie chwilowo zmierzonych parametrów z chwilową prędkością wiatru. Ważnym przykładem są eksperymenty nad falami wzbudzanymi z stanu spoczynku przez niemal impulsowe wymuszanie wiatrem. W takim przypadku wymagane są liczne niezależne pomiary pola wiatr-fala ewoluującego pod wpływem wiatru, który zmienia się w czasie zgodnie z tym samym określonym schematem24. Istotne parametry statystyczne, wyrażone jako funkcja czasu upływającego od rozpoczęcia przepływu powietrza, są następnie obliczane poprzez uśrednianie danych wyekstrahowanych z zgromadzonego zespołu niezależnych realizacji. Przedsięwzięcie to może wiązać się z dziesiątkami i setkami godzin ciągłego próbkowania. Całkowity czas trwania sesji eksperymentalnych wymagany do realizacji tak ambitnego zadania sprawia, że całe podejście jest niewykonalne, chyba że eksperyment jest w pełni zautomatyzowany. Do niedawna nie opracowano w pełni zkomputeryzowanej procedury eksperymentalnej w urządzeniach do badania fal wiatrowych. Jest to jeden z głównych powodów braku wiarygodnych danych statystycznych na temat fal wiatrowych przy niestacjonarnym wymuszaniu.

Ponieważ urządzenie wykorzystane w eksperymencie nie zostało zbudowane z komercyjnie dostępnych, gotowych komponentów, poniżej przedstawiono krótki opis jego głównych części.

Schemat tunelu aerodynamicznego; przepływ powietrza w kanale. Elementy opisane; wykorzystywane do badań nad aerodynamiką.
Rysunek 1. Schematyczny widok (nie w skali) urządzenia eksperymentalnego. 1 – dmuchawa; 2 – komora uspokajająca wlotowa; 3 – komora uspokajająca wylotowa; 4 – tłumiki hałasu; 5 – sekcja pomiarowa z 6 – pochylnią; 7 – wymiennik ciepła; 8 – struktura plastra miodu; 9 – dysza; 10 – generator fal; 1 – klapa; 12 – wózek pomiarowy; 13 – falomierz napędzany silnikiem krokowym; 14 – rurka Pitota napędzana silnikiem krokowym. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Instalacja doświadczalna składa się z tunelu aerodynamicznego z obiegiem zamkniętym zamontowanego nad zbiornikiem falowym (schematyczny widok przedstawiono na Ryc. 1). Sekcja pomiarowa ma długość 5 m, szerokość 0,4 m i głębokość 0,5 m. Ściany boczne oraz dno wykonane są z płyt szklanych o grubości 6 mm i osadzone w ramie z profili aluminiowych. Klapa o długości 40 cm zapewnia łagodne rozszerzenie przekroju przepływu powietrza od dyszy do powierzchni wody. Na przeciwległym końcu zbiornika znajduje się plaża pochłaniająca energię fal, wykonana z porowatego materiału wypełniającego. Dmuchawa sterowana komputerowo pozwala na osiągnięcie średniej prędkości przepływu powietrza w sekcji pomiarowej do 15 m/s.

Własnoręcznie wykonany pojemnościowy falomierz o długości 10 mm został wykonany z tantalowanego tantalu. Drut o średnicy 0,3 mm zamontowano na pionowej podstawie napędzanej sterowanym przez komputer silnikiem krokowym, przeznaczonym do kalibracji falomierza. Rurka Pitota o średnicy 3 mm jest wykorzystywana do pomiaru ciśnienia dynamicznego w centralnej części przepływu powietrza w sekcji badawczej.

LSG, służący do pomiaru chwilowego dwuwymiarowego nachylenia powierzchni wody, jest zamontowany na ramie oddzielonej od sekcji badawczej, którą można umieścić w dowolnym miejscu wzdłuż zbiornika (Rysunek 2). LSG składa się z czterech głównych elementów: diody laserowej, soczewki Fresnela, ekranu dyfuzyjnego oraz zespołu detektora pozycyjnego (PSD). Dioda laserowa generuje ogniskowalną wiązkę laserową o długości fali 650 nm (czerwona) i mocy 20 mW o średnicy około 0,5 mm. Soczewka Fresnela o średnicy 26,4 cm i ogniskowej 2,86 cm kieruje nadchodzącą wiązkę laserową na ekran dyfuzyjny o wymiarach 25 x 25 cm2 znajdujący się w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki.

Schemat optyki podwodnej przedstawiający drogę światła, soczewkę, refrakcję na powierzchni wody oraz aparat.
Rysunek 2. Schematyczny widok laserowego pomiarowego miernika nachylenia (LSG). 1 – dioda laserowa; 2 – soczewka Fresnela; 3 – ekran rozpraszający; 4 – detektor czujnika pozycji (PSD). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Niniejszy protokół opisuje procedurę umożliwiającą przeprowadzenie eksperymentów, w których jednocześnie mierzone są liczne parametry charakteryzujące fale niestacjonarne pod wpływem zależnego od czasu wymuszania wiatrem. Procedurę tę można dostosować do dowolnej pożądanej zależności prędkości wiatru od czasu, którą można osiągnąć przy uwzględnieniu ograniczeń technicznych aparatury eksperymentalnej. Przedstawiony protokół opisuje w szczególności eksperymenty, w których w każdej realizacji wiatr zaczyna wiać niemal impulsywnie nad początkowo spokojną wodą. Stałe wymuszanie wiatrem trwa następnie wystarczająco długo, aby pole falowania w całym przekroju badawczym osiągnęło stan quasi-stacjonarny. Ostatecznie wiatr zostaje wyłączony, ponownie niemal impulsywnie. Na wszystkich etapach rejestrowane są liczne parametry fal. Procedura umożliwiająca obliczenie wielu statystycznie reprezentatywnych wartości uśrednionych po ansamblu, charakteryzujących chwilowe lokalne pole falowania, jest nowatorska i została opracowana w toku niedawnych eksperymentów przeprowadzonych w naszej placówce2,23,24.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie systemu

  1. Napełnij zbiornik wodą z kranu do głębokości około 20 cm, aby spełnić warunek głębokiej wody; oczyść powierzchnię wody z wszelkich zanieczyszczeń, które mogłyby wpłynąć na napięcie powierzchniowe.
  2. Ustaw wózek z instrumentami na pożądanym rozbiegu.
    1. Zamontuj rurkę Pitota i ustaw ją w centrum części przepływu powietrza sekcji badawczej.
    2. Zamontuj falomierz na sterowanej komputerowo platformie pionowej, aby umożliwić jego kalibrację statyczną.
  3. Ustaw zespół LSG na pożądanym rozbiegu i w odległości bocznej około 7 cm od falomierza, aby wyeliminować zakłócenia toru optycznego przez zespół falomierza.
    UWAGA: Zaleca się stosowanie nieprzezroczystej zasłony, aby zapobiec wystawieniu PSD na światło otoczenia, a także chronić otoczenie przed fałszywymi odbiciami wiązki laserowej.
    1. Wyrównaj laser umieszczony pod zbiornikiem z wodą tak, aby wiązka była skierowana pionowo, a następnie skup wiązkę.
    2. Umieść soczewkę Fresnela w sekcji badawczej jak najwyżej nad powierzchnią wody, aby zminimalizować zakłócenia przepływu powietrza przez soczewkę.
    3. Upewnij się, że odchylona wiązka laserowa trafia w centralną część soczewki w ekstremalnych warunkach wiatru zaplanowanych w sesji eksperymentalnej.
    4. Zamontuj ekran rozpraszający dokładnie w płaszczyźnie ogniskowej soczewki, a następnie sprawdź wyrównanie poziome i pionowe zarówno soczewki, jak i ekranu.
    5. Upewnij się, że dwie dowolne równoległe pionowe wiązki laserowe trafiają dokładnie w środek ekranu rozpraszającego, gdy powierzchnia wody jest nieruchoma.
      UWAGA: Można to sprawdzić, używając dwóch identycznych laserów umieszczonych w pewnej odległości od siebie.
    6. Ustaw PSD, upewniając się, że cały obszar ekranu rozpraszającego znajduje się w obszarze efektywnym detektora. Przeprowadź ogniskowanie soczewki PSD, dostosowując ustawienia soczewki do rzeczywistej odległości między soczewką a ekranem.

2. Kalibracja i obsługa czujników

  1. Kalibracja falomierza
    1. Przeprowadź kalibrację falomierza dla każdego miejsca pomiarowego oraz dla każdej maksymalnej prędkości wiatru przewidzianej w serii eksperymentalnej.
      1. Ustaw pionową pozycję czujnika tak, aby średni poziom wody znajdował się mniej więcej w połowie długości przewodów pomiarowych.
      2. Ustaw prędkość dmuchawy na pożądaną wartość i pozwól wiatrowi wiać jednostajnie przez odpowiednio długi czas (2 - 3 min).
      3. Za pomocą oscyloskopu ręcznie dostosuj czułość, wzmocnienie i offset falomierza w jednostce kondycjonującej, aby wartości napięcia odpowiadające najwyższej grzywie i najniższej niecce przewidywanym w polu falowym mieściły się w zakresie przetwornika A/C (+/- 10 V).
      4. Wyłącz dmuchawę na kilka minut, aż powierzchnia wody stanie się całkowicie spokojna.
      5. Przesuwając falomierz pionowo, zweryfikuj, czy długość zanurzenia mieści się w przewidywanych maksymalnych wartościach grzywy i niecki.
      6. Wykonaj automatyczną kalibrację falomierza przy użyciu specjalnie przygotowanej procedury w spokojnej wodzie, zanurzając urządzenie na określonych głębokościach i rejestrując średnie napięcie wyjściowe przez 5 s dla każdej głębokości.
      7. Dopasuj kwadratowy wielomian kalibracyjny do zarejestrowanych danych, aby uzyskać zależność H(V), gdzie H oznacza głębokość zanurzenia (odpowiadającą chwilowej wysokości powierzchni), jako funkcję napięcia wyjściowego falomierza V.
      8. Wizualnie zweryfikuj jakość dopasowanego wielomiana kalibracyjnego (Rycina 3).

Wykres liniowej równowagi statycznej, H w funkcji napięcia, przedstawiający ΣFx=0 do analizy badawczej w celach edukacyjnych.
Rysunek 3. Krzywa kalibracyjna falomierza. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

  1. Kalibracja i regulacja LSG
    1. Weryfikuj działanie LSG po każdym przesunięciu zespołu czujnika.
      1. Używając optycznego pryzmatu klinowego umieszczonego na poziomej szklanej płycie, odchyl wiązkę laserową względem osi optycznej, symulując znany nachylenie powierzchni wody.
      2. Próbkuj sygnały wyjściowe PSD z plamki odchylonej wiązki laserowej na ekranie dyfuzyjnym, korzystając z oscyloskopu lub specjalnie zaprojektowanego programu akwizycji danych.
      3. Oblicz kąt odchylenia wiązki oraz nachylenie na podstawie zmierzonych współrzędnych plamki wiązki laserowej; porównaj wynik ze znanym kątem klina.
      4. Powtórz procedurę dla kilku kątów odchylenia, używając jednego lub większej liczby pryzmatów.
        UWAGA: Użyto pryzmatów klinowych o kątach odchylenia od 2,5° do 17,5°; jeśli test nie powzie się z powodu rozkalibrowania PSD względem ekranu dyfuzyjnego, wyreguluj PSD ręcznie, aby skorygować błąd ustawienia. Procedura ta jest wykonywana ręcznie przy użyciu dwuwymiarowego poziomego stołu translacyjnego oraz poziomicy i jest bardzo czasochłonna.
    2. Weryfikacja liniowości PSD i procedura kalibracji
      1. Umieść na ekranie dyfuzyjnym wydrukowaną na przezroczystej folii siatkę o równych odstępach i zorientuj ją tak, aby jej osie, x i y, były wyrównane odpowiednio z kierunkiem wzdłuż i w poprzek wiatru (Rysunek 4).
        UWAGA: Siatka ułatwia wygodne i precyzyjne kierowanie wiązką laserową w pożądane miejsca na ekranie dyfuzyjnym, albo poprzez zestaw pryzmatów, albo przesuwając laser pod ekranem dyfuzyjnym w kierunkach wzdłuż i w poprzek wiatru.
      2. Używając zestawu pryzmatów, odchyl pionową wiązkę laserową, aby uzyskać wiele radialnych pozycji plamki wiązki laserowej na ekranie dyfuzyjnym, utrzymując stały kąt azymutalny.
        UWAGA: Dla każdego z 9 kątów azymutalnych zastosowano rozdzielczość 1 cm i maksymalny promień 7 cm.
      3. Przesuń plamkę laserową do wielu pozycji w kierunku x, utrzymując stałą współrzędną y, a następnie zmień kierunek ruchu na y, utrzymując stałe x.
        UWAGA: Zakres i rozdzielczość są zbliżone do tych z poprzedniej sekcji.
      4. Zbierz około 50 punktów na siatce podczas każdej kalibracji.
        UWAGA: Współrzędne plamki wiązki laserowej są pozyskiwane przez PSD i oceniane za pomocą standardowego dwukanałowego oscyloskopu podłączonego do PSD.
        1. Dla każdego kierunku zastosuj liniowe dopasowanie danych, aby uzyskać współczynniki kalibracyjne umożliwiające przeliczenie współrzędnych wiązki laserowej na czujniku PSD na odpowiadające im współrzędne na ekranie dyfuzyjnym.
          UWAGA: Przykład kalibracji PSD przedstawiono na Rysunku 5 dla zestawu punktów pobranych wzdłuż linii środkowej sekcji testowej. Odpowiedź czujnika, a tym samym współczynniki kalibracyjne, są niemal identyczne we wszystkich kierunkach, gdy osie ekranu dyfuzyjnego i czujnika są prawidłowo wyrównane. Siatka ułatwia procedurę kalibracji, umożliwiając łatwe wyznaczenie współrzędnych nachylenia lasera na ekranie dyfuzyjnym.

Siatka współrzędnych kartezjańskich, oś ponumerowana od -9 do 9, diagram, edukacyjna grafika matematyczna.
Rysunek 4. Dyfuzyjna siatka ekranująca. Siatka umożliwia wygodne i precyzyjne kierowanie wiązki lasera w pożądane miejsca na ekranie rozpraszającym, albo poprzez zastosowanie zestawu pryzmatów, albo poprzez przesuwanie lasera pod ekranem rozpraszającym w kierunkach wzdłużnym i poprzecznym do przepływu powietrza. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres zależności liniowej: pozycja czujnika a pozycja na ekranie; wykres kalibracyjny, regresja liniowa.
Rysunek 5. Krzywa kalibracyjna PSD. Rysunek wykazuje, że przeliczenie napięć wyjściowych PSD na współrzędne daje odpowiednie wyniki. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

3. Procedura eksperymentalna i pozyskiwanie danych

UWAGA: Patrz Rycina uzupełniająca 1 dla interfejsu użytkownika wykorzystywanego w następnych krokach.

  1. Ustaw częstotliwość dmuchawy za pomocą interfejsu użytkownika zbudowanego w dedykowanym programie.
    UWAGA: Zastosowano niemal skokowe zwiększanie prędkości wiatru nad początkowo niezakłóconą powierzchnią wody, po którym nastąpił stały przepływ powietrza przez określony czas (120 s), a następnie niemal impulsowe wyłączenie dmuchawy.
  2. Wyznacz liczbę różnych stałych prędkości przepływu wiatru oraz wymagane ustawienia dmuchawy.
  3. Dostosuj ustawienia przetwornika ciśnienia do oczekiwanego zakresu zmian ciśnienia dynamicznego wykrywanego przez rurkę Pitota.
  4. Upewnij się, że na początku każdej realizacji nie ma wiatru, a powierzchnia wody jest niezakłócona (lustrzanie gładka). Rozpocznij akwizycję danych synchronicznie z uruchomieniem dmuchawy.
  5. Zarejestruj chwilową wysokość powierzchni, składowe nachylenia powierzchni w kierunku wzdłużnym i poprzecznym względem wiatru, sygnał z rurki Pitota monitorujący średnią prędkość wiatru U oraz zmienność napięcia z kontrolera dmuchawy przy określonej częstotliwości próbkowania (wykorzystano 30 Hz/kanał).
    UWAGA: Napięcie z falomierza zarejestrowane przez program jest automatycznie przeliczane na wysokość powierzchni przy użyciu współczynników kalibracji z dopasowania przedstawionego na Rysunku 3.
  6. Kontynuuj próbkowanie przez czas wystarczający do zarejestrowania zanikającego pola fal po wyłączeniu dmuchawy.
  7. Po zakończeniu próbkowania upewnij się, że automatyczna procedura eksperymentalna przewiduje wystarczający czas (zależnie od systemu) na powrót powierzchni wody do stanu niezakłóconego przed rozpoczęciem kolejnego pomiaru.
  8. Zapisz wszystkie zarejestrowane dane do późniejszego przetwarzania.
  9. Wykonaj określoną liczbę realizacji (zazwyczaj uznano za wystarczające 100 niezależnych pomiarów).
  10. Oblicz parametry uśrednione po ansamblu z zarejestrowanych danych jako funkcję czasu, który upłynął od uruchomienia dmuchawy.
  11. Powtórz całą procedurę dla następnego ustawienia dmuchawy odpowiadającego wybranej docelowej prędkości wiatru w sekcji badawczej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Reprezentatywne wyniki uśrednione dla zespołu przedstawiono na Rycina 6, Rysunek 7i Rycina 8Zmienność wartości RMS chwilowej wysokości powierzchni <η2>1/2 który charakteryzuje amplitudę losowych fal wiatrowych, przedstawioną w Rycina 6 w funkcji czasu, który upłynął od uruchomienia dmuchawy. Wyniki przedstawiono ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Obecny protokół eksperymentalny ma na celu ilościową charakterystykę pola falowego pod wpływem niestabilnego wymuszania wiatru, które ewoluuje w czasie i przestrzeni. Ponieważ fale wiatrowe są zasadniczo losowe i trójwymiarowe, a zatem szybko zmieniają się w czasie i przestrzeni, zapisy indywidualnych realizacji rosnącego pola fal wiatrowych pod wpływem zależnego od czasu wymuszania wiatru mogą dostarczyć jedynie jakościowych szacunków parametrów rządzących falą. Aby osiągnąć cel tego protokołu i uzyskać statystycznie wi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Izraelską Fundację Naukową, grant # 306/15.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
PSDTHORLABSPDP90A Dioda
dowolny wskaźnik laserowy ≤ 200 mW
Kondycjonerwykonany na zamówienie
Ekran dyfuzyjnyEDMUND OPTICS#02-147
Zbiornikwykonany na zamówienie
karta A/D PCI-6221National Instruments779066-01
Rurka PitotaKIMO Instruments12971
15° Nom. Powlekany VIS-NIR, pryzmat klinowyEDMUND OPTICS#47-624
10° Nom. VIS 0° Powlekany, Pryzmat KlinowyEDMUND OPTICS#49-444
2.5° Nom. Pryzmat klinowy z topionej krzemionki NiepowlekanyEDMUND OPTICS#84-863
4° Nom. Niepowlekany, Pryzmat KlinowyEDMUND43-650
5.0° Nom. Pryzmat klinowy z topionej krzemionki NiepowlekanyEDMUND OPTICS#84-865
LabView Pełny system rozwojuKrajowy Instrumenty776670-35
laserowa Asferyczna soczewka Fresnela EDMUND OPTICS#46-390 Średnica 10,4 '', Ogniskowa 9'' Miernik falowy wykonany na zamówienie Przetwornik ciśnienia MAMAC SYSTEMS PR-274-R2-VDC sygnału na wodę #

Bibliografia

  1. Sir William Thomson, F. R. S. Hydrokinetic solutions and observations. Philosophical Magazine. 42, 362-377 (1871).
  2. Jeffreys, H. On the formation of water waves by wind. Proc. Roy. Soc. London Ser. A. 107, 189-206 (1925).
  3. Miles, J. W. On the generation of surface waves by shear flows. J. Fluid Mech. 3 (2), 185-204 (1957).
  4. Phillips, O. M. On the generation of waves by turbulent wind. J. Fluid Mech. 2 (5), 417-445 (1957).
  5. Plate, E. J., Chang, P. C., Hidy, G. M. Experiments on the generation of small water waves by wind. J. Fluid Mech. 35 (4), 625-656 (1969).
  6. Mitsuyasu, H. On the growth of the spectrum of wind-generated waves I. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu Univ. 16 (55), 459-482 (1968).
  7. Toba, Y. Local balance in the air-sea boundary processes, I. On the growth process of wind waves. J. Oceanog. Soc. Japan. 28, 109-120 (1972).
  8. Toba, Y. Local balance in the air-sea boundary processes. III. On the spectrum of wind waves. J. Oceanogr. Soc. Japan. 29, 209-220 (1973).
  9. Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. Frequency-wavenumber spectrum of wind-generated gravity-capillary waves. J. Geoph. Res. 102, 1061-1072 (1997).
  10. Caulliez, G., Guérin, C. -A. Higher-order statistical analysis of short wind wave fields. J. Geophys. Res. 117, C06002(2012).
  11. Mitsuyasu, H., Rikiishi, K. The growth of duration-limited wind waves. J. Fluid Mech. 85, 705-730 (1978).
  12. Kawai, S. Generation of initial wavelets by instability of a coupled shear flow and their evolution to wind waves. J. Fluid Mech. 93 (4), 661-703 (1979).
  13. Waseda, T., Toba, Y., Tulin, M. P. Adjustment of wind waves to sudden changes of wind speed. J. Oceanography. 57, 519-533 (2001).
  14. Uz, B. M., Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. A. Laboratory observations of gravity-capillary waves under transient wind forcing. J. Geophys. Res.: Oceans. 108 (C2), (2003).
  15. Hwang, P. A., Wang, D. W. Field measurements of duration-limited growth of wind-generated ocean surface waves at young stage of development. J. Phys. Oceanogr. 34 (10), 2316-2326 (2004).
  16. Hwang, P. A., García-Nava, H., Ocampo-Torres, F. J. Observations of wind wave development in mixed seas and unsteady wind forcing. J. Phys. Oceanogr. 41, 2340-2359 (2011).
  17. Liberzon, D., Shemer, L. Experimental study of the initial stages of wind waves' spatial evolution. J. Fluid Mech. 681, 462-498 (2011).
  18. Miles, J. W. On generation of surface waves by shear flows. Part 2. J. Fluid Mech. 6 (4), 568-582 (1959).
  19. Plant, W. J. A relationship between wind stress and wave slope. J. Geophys. Res. 87, 1961-1967 (1982).
  20. Zavadsky, A., Shemer, L. Characterization of turbulent air flow over evolving water-waves in a wind-wave tank. J. Geophys. Res. 117, C00J19(2012).
  21. Zavadsky, A., Liberzon, D., Shemer, L. Statistical analysis of the spatial evolution of the stationary wind wave field. J. Phys. Oceanogr. 43, 65-79 (2013).
  22. Zavadsky, A., Benetazzo, A., Shemer, L. On the two-dimensional structure of short gravity waves in a wind wave tank. Phys. Fluids. 29 (1), 016601(2017).
  23. Zavadsky, A., Shemer, L. Investigation of statistical parameters of the evolving wind wave field using Laser Slope Gauge. Phys. Fluids. 29 (5), (2017).
  24. Zavadsky, A., Shemer, L. Water waves excited by near-impulsive wind forcing. J. Fluid Mech. , (2017).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

falomierzlaserowy pomiar nachyleniapoziom powierzchni wodypomiar nachylenia powierzchnidmuchawa sterowana komputerowoanaliza zale na od rozbiegu falewolucja pola falwarunki wymuszania wiatrempomiar zaniku fal

Powiązane artykuły