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

Ogólnym celem tej eksperymentalnej procedury jest umożliwienie akumulacji różnorodnych, wiarygodnych parametrów statystycznych, które charakteryzują przestrzenną i czasową ewolucję badanych fal wodnych oraz zależne od czasu wymuszanie wiatru. Metoda ta może wyjaśnić mechanizm rządzący wzbudzeniem fal wodnych przez wiatr. Mechanizmy te nie są jeszcze poznane.

Właściwe modelowanie dopływu wiatru jest niezbędne do prognozowania klimatu fal. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona w pełni zautomatyzowana i sterowana komputerowo. Procedurę eksperymentalną można łatwo dostosować do badania szerokiej gamy procesów i generowania fal wiatrowych.

Eksperymenty odbywają się w tym obiekcie, który składa się z tunelu aerodynamicznego o zamkniętej pętli nad zbiornikiem fal. To jest schemat obiektu i niektórych jego funkcji. Kierunek przepływu powietrza jest wskazywany przez strzałki.

Zbiornik ma pięć metrów długości, 1/2 metra wysokości i 4/10 metra szerokości. Ściany boczne i podłoga zbiornika wykonane są ze szkła wspartego na aluminiowej ramie. Na jednym końcu zbiornika znajduje się klapa i generator fal.

Klapa płynnie rozszerza przekrój przepływu powietrza, gdy wchodzi on w obszar testowy i służy jako odniesienie do pomiarów odległości. Absorber energii fal znajduje się na przeciwległym końcu zbiornika. Składa się z porowatych materiałów opakowaniowych używanych do tworzenia plaży.

Nad zbiornikiem znajduje się ruchomy wózek do przechowywania instrumentów. Na potrzeby eksperymentu napełnij zbiornik na głębokość 20 centymetrów i ręcznie precyzyjnie ustaw wózek, aby instrumenty osiągnęły pożądany pobór. Następnie przygotuj niektóre instrumenty do eksperymentu.

Mieć rurkę Pitota, która może dotrzeć do środka przepływu powietrza. Ponadto mają miernik fal, który jest zamontowany na pionowym stoliku sterowanym komputerowo. Użyj karetki, aby zamontować rurkę Pitota w środku przepływu powietrza w sekcji testowej.

Następnie zamontuj falomierz na wózku. Następnie pracuj z częścią laserowych mierników nachylenia. Składają się one z diody laserowej, soczewki Fresnela, ekranu dyfuzyjnego i detektora z precyzyjnym czujnikiem.

Ustaw diodę laserową w żądanym położeniu poniżej zbiornika na wodę. Skieruj belkę pionowo w górę. Belka powinna znajdować się około siedmiu centymetrów od falomierza.

Po ustawieniu soczewki Fresnela i ekranu dyfuzyjnego, użyj poziomicy, aby sprawdzić poziome i pionowe wyrównanie soczewki i ekranu przed kontynuowaniem. Dostosuj ustawienie obiektywu do rzeczywistej odległości między obiektywem a ekranem. Aby skalibrować falomierz, ustaw precyzję pionową czujnika.

Średni poziom wody powinien znajdować się mniej więcej w połowie długości przewodu czujnikowego. Ustaw prędkość dmuchawy na jeden z żądanych poziomów i pozwól, aby wiatr wiał równomiernie przez dwie do trzech minut. Gdy wieje wiatr, monitoruj sygnał falomierza na oscyloskopie.

Ręcznie dostosuj czułość, wzmocnienie i przesunięcie, aby upewnić się, że wartości napięcia odpowiadające najwyższemu grzbietowi i najniższemu korytku mieszczą się w zakresie przetwornicy AD. Po zakończeniu wyłącz dmuchawę i poczekaj, aż powierzchnia wody nie zostanie naruszona. Powtórzyć kroki kalibracji dla każdego miejsca pomiaru i maksymalnej prędkości wiatru oczekiwanej w przebiegu doświadczalnym.

Teraz skalibruj laserowy miernik nachylenia. W tym celu użyj optycznego pryzmatu klinowego na przezroczystym wsporniku. View dane wyjściowe detektora z precyzyjnym wykrywaniem na oscyloskopie, aby sprawdzić kalibrację.

Użyj różnych pryzmatów, aby powtórzyć to dla kilku kątów odchylenia. Po raz kolejny użyj pryzmatu, aby odchylić pionową wiązkę laserową. W takim przypadku odchyl wiązkę do pozycji promieniowej na ekranie dyfuzyjnym.

Zrób to z kilkoma pryzmatami, zachowując stały kąt azymutalny. Dla każdej pozycji zapisz dane wyjściowe detektora z czujnikiem precyzyjnym na oscyloskopie. Po zakończeniu zbierz dane, przesuwając plamkę lasera do wielu pozycji w kierunku X, utrzymując stałą współrzędną Y.

Powtórz te same kroki, przesuwając pozycję Y i utrzymując stałą współrzędną X. Przygotuj system akwizycji danych do rejestrowania żądanych ilości. Aby rozpocząć eksperyment, upewnij się, że nie ma wiatru.

Tafla wody powinna być gładka i niezakłócona. Aktywuj dmuchawę i rozpocznij akwizycję danych w tym samym czasie. W tym eksperymencie stosuj stałe wymuszanie przez 200 sekund.

Z biegiem czasu system osiągnie stan ustalony. Użyj oscyloskopu, aby wyświetlić dane w miarę ich zbierania. Jest to przykład danych nachylenia powierzchni.

Z wiatrem po lewej, z wiatrem bocznym po prawej. Na zakończenie wyłącz dmuchawę i kontynuuj zbieranie danych, aby zarejestrować zanikające pole falowe. Poczekaj, aż woda powróci do stanu niezakłóconego, zanim przejdziesz dalej.

W każdej realizacji można wyróżnić trzy odrębne etapy. Początkowy wzrost fali wraz z uruchomieniem dmuchawy. Quasi-stałe pole fal wiatrowych pod ciągłym wymuszeniem wiatru i zanikanie fal po wyłączeniu dmuchawy.

Zarejestrowano liczne niezależne realizacje pola falowego pod wpływem impulsowego wymuszania wiatru. Uśrednianie próbek dostarcza wyników w funkcji czasu w stosunku do momentu uruchomienia dmuchawy. Poniżej przedstawiono dane dotyczące wartości RMS chwilowej wysokości powierzchni w funkcji czasu.

Dane zostały pobrane w odległości 120 centymetrów od klapy i dla trzech różnych prędkości wiatru. Charakterystyczna amplituda fali w stanie równowagi quasi-ustalonego wzrasta wraz z prędkością wiatru. Należy zauważyć, że czas uzyskania wartości stanu quasi-ustalonego nie wydaje się zależeć od prędkości.

Dane dla różnych wartości pobierania i tych samych trzech prędkości wiatru wykazują podobne zachowanie. Wykresy te służą do chwilowych rzędnych powierzchni. 220 centymetrów od klapy i 340 centymetrów od klapy.

Użyj tych samych danych, aby zbadać charakterystyczne amplitudy fal dla stałej docelowej wartości prędkości wiatru. Wykres ten, dla prędkości 6,5 metra na sekundę, jest reprezentatywny i pokazuje wartości równowagi wartości RMS wysokości powierzchni wzrastającej wraz z pobieraniem. Eksperyment dostarcza również pomiarów składowych RMS z wiatrem i wiatrem bocznym nachylenia powierzchni.

Dane te dotyczą dwóch wartości pobierania, 120 centymetrów i 340 centymetrów. Dla docelowej prędkości wiatru 6,5 metra na sekundę, a także dla docelowej prędkości wiatru 10,5 metra na sekundę. Wyłącz dmuchawę, a charakterystyczna amplituda fali wraz ze składowymi nachylenia powierzchni zanika przez około jedną minutę niezależnie od pobierania.

Po opanowaniu, pojedyncza realizacja przy użyciu tej procedury trwa około ośmiu minut. Zgromadzenie 100 realizacji wymaga około 13 godzin ciągłego eksperymentowania dla pojedynczej prędkości celu wiatru i stałego pobierania. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że woda paruje i należy ją od czasu do czasu uzupełniać.

Po opracowaniu technika ta utorowała drogę do badań ilościowych, fal wodnych i stałego wymuszania wiatru. Po obejrzeniu filmu powinieneś dobrze zrozumieć, w jaki sposób można uzyskać wyniki ilościowe dla niestabilnych i niejednorodnych pól fal wiatrowych.