Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

قياسات الموجات في خزان موجه رياح تحت إجبار الرياح مطرد واختلاف الوقت

Published: February 13, 2018 doi: 10.3791/56480
Automatic Translation
1, 1
1School of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Tel-Aviv University

Summary

هذه المخطوطة وصف إجراء يسيطر عليها جهاز الكمبيوتر تماما التي تتيح الحصول على معلمات إحصائية موثوق بها من التجارب لموجات المياه متحمس بإجبار ثابت ومتقلب الرياح في منشأة صغيرة.

Abstract

ويصف هذه المخطوطة إجراء تجريبي الذي يتيح الحصول على المعلومات الكمية المتنوعة على التطور الزماني والمكاني لموجات المياه متحمس بإجبار الرياح تعتمد على الوقت ومطرد. قياس السعة من نوع الموجه وقياس الانحدار الليزر (LSG) تستخدم لقياس ارتفاع سطح المياه لحظية وعنصرين من منحدر السطح لحظية في عدد من المواقع على طول المقطع اختبار مرفق موجه الرياح. يوفر منفاخ الكمبيوتر التي تسيطر عليها تدفق الهواء فوق المياه في خزان المعدل الذي يمكن أن تختلف في الوقت المناسب. في التجارب الحالية، سرعة الرياح في المقطع اختبار في البداية يزيد بسرعة من بقية لتعيين القيمة. من ثم تظل ثابتة طوال مدة محددة؛ وأخيراً، يتم إيقاف تدفق الهواء. في بداية كل تشغيل تجريبي، سطح الماء الهدوء وهناك لا الرياح. بدء تشغيل المنفاخ في وقت واحد مع الحصول على البيانات المقدمة من جميع أجهزة الاستشعار باستخدام كمبيوتر؛ الحصول على البيانات وتستمر حتى الموجات في الخزان التسوس تماما. يدير مستقلة متعددة تحت ظروف مماثلة مما اضطر تتيح تحديد موثوقة إحصائيا بلغ متوسط الفرقة المميزة معلمات كمياً تصف التباين أمواج الرياح في الوقت المناسب لمرحلة التطوير الأولى وظيفة الجلب. كما يسمح هذا الإجراء تميز تطور المكانية الحقل الموجه تحت إجبار الرياح مطرد، فضلا عن الانحلال من موجات في الوقت المناسب، حالما يتم إيقاف الريح، كدالة لإحضار.

Introduction

منذ العصور القديمة، كان من المعروف جيدا أن موجات على سطوح المياه متحمسون بالرياح. الفهم الحالي للآليات المادية التي تحكم هذه العملية ليست مرضية على الإطلاق. واقترح العديد من النظريات التي تحاول وصف الجيل موجه الرياح على مر السنوات1،2،،من34، لكن لم يتوفر بعد التحقق من صحة تجريبية يمكن الاعتماد عليها. قياسات لامواج الرياح العشوائية في المحيط صعبة للغاية بسبب الرياح لا يمكن التنبؤ بها قد تختلف بسرعة في الاتجاه، وكذلك كما هو الحال في الحجم. التجارب المختبرية تتميز بالسيطرة عليها بالظروف التي تمكن القياسات طويلة وقابلة للتكرار.

تحت الرياح مطرد مما اضطر في بيئة المختبر، تتطور أمواج الرياح في الفضاء. أوائل التجارب المختبرية على موجات تحت إجبار ثابت يقوم منذ عقود كانت تقتصر على ارتفاع سطح لحظية القياسات5،6،،من78. مزيد من الدراسات الأخيرة كما استخدمت تقنيات بصرية مختلفة لقياس زاوية ميل سطح الماء الفوري، مثل LSG9،10. تلك القياسات يسمح بالحصول على بعض معلومات النوعية على هيكل ثلاثي الأبعاد من حقول موجه الرياح محدودة. تعقيد إضافي عندما أجبر الرياح غير مستقرة، كما الحال في التجارب الميدانية، عرض لمشكلة الإثارة موجات الماء بالرياح، حيث تتنوع المعلمات الإحصائية الحقل الموجه الناتجة ليس فقط في الفضاء ولكن في الوقت المناسب، وكذلك. كانت المحاولات المبذولة حتى الآن لوصف موجه تطور أنماط كمياً ونوعيا تحت إجبار تعتمد على الوقت إلا نجاحا جزئيا11،12،،من1314 , 15 , 16-المساهمة النسبية لمختلف الآليات المادية المعقولة التي قد تؤدي إلى الإثارة والنمو من الأمواج بسبب الرياح العمل ما زالت مجهولة إلى حد كبير.

لدينا مرفق تجريبي صمم بغية تمكين تراكم المعلومات الإحصائية الدقيقة والمتنوعة على اختلاف خصائص الحقل موجه الرياح تحت أما إجبار الرياح ثابتة أو متقلب. عاملان رئيسيان تيسير الاضطلاع بهذه الدراسات التفصيلية. أولاً، جداول إلى الحجم المتواضع لنتائج مرفق في تطور مميزة قصيرة نسبيا في الزمان والمكان. وثانيا، التجربة كلها تماما يسيطر عليه كمبيوتر، مما يتيح أداء عمليات التشغيل التجريبي في ظروف تجريبية مختلفة تلقائياً وعملياً دون تدخل الإنسان. هذه الميزات لطريقة إعداد تجريبية تتسم بأهمية حاسمة في إجراء تجارب على موجات متحمس من بقية الرياح متهورة.

ودرست النمو المكانية لامواج الرياح تحت إجبار المطرد في منشآتنا لمجموعة من سرعات الرياح17. وقورنت النتائج مع تقديرات معدل النمو استناداً إلى نظرية18 ميلا كما قدمها المصنع19. وكشفت المقارنة أن تختلف النتائج التجريبية لا سيما من التنبؤات النظرية. وكانت معلمات إضافية هامة أيضا التي تم الحصول عليها في17، مثل انخفاض الضغط يعني في المقطع "اختبار"، فضلا عن القيم المطلقة ومراحل التقلبات في ضغط ثابت مميزة. إجهاد القص في واجهة الهواء والماء ضروري لتوصيف لنقل الطاقة والزخم بين الرياح والأمواج،من1719. لذلك، مفصلة قياسات طبقة الحدود لوغاريتمية والتقلبات المضطربة في تدفق الهواء فوق الماء موجات أجريت في fetches العديدة وريح سرعات20. قيم الاحتكاك السرعة يو* في واجهة الهواء والماء في هذه الدراسة استخدمت للحصول على المعلمات الإحصائية هو من أمواج الرياح المقاسة في مرفق لدينا21. وقورنت هذه القيم مع المعلمات هو المقابلة التي تم الحصول عليها في أكبر المنشآت التجريبية والتجارب الميدانية. قد تجلى سابقا21 أنه مع التوسع السليم، الخصائص الهامة للحقل موجه الرياح التي تم الحصول عليها في منشآتنا الصغيرة لا تختلف كثيرا عن البيانات المناظرة المتراكمة في أكبر مختبر المنشآت وقياسات البحار المفتوحة. وتشمل هذه المعلمات النمو المكانية من ارتفاع الأمواج الممثل وطول الموجه، على شكل طيف الترددات السطحي من الارتفاع، فضلا عن قيم أعلى لحظات الإحصائية.

وأظهرت الدراسات اللاحقة التي أجريت في22،مرفق لدينا23 أن موجات الرياح أساسا عشوائية وثلاثي الأبعاد. للحصول على رؤية أفضل لهيكل ثلاثي الأبعاد لامواج الرياح، جرت محاولة لإجراء القياسات تعتمد على الوقت كمية المياه السطحية من الارتفاع على مساحة ممتدة باستخدام التصوير الفيديو ستيريو22. نظراً لقوة جهاز الكمبيوتر غير كافية متوفرة في خوارزميات الحالية والمعالجة التي ليست فعالة بما فيه الكفاية حتى الآن، أثبتت هذه المحاولات أن تكون إلا نجاحا جزئيا. بيد أنه اتضح أن الجمع بين استخدام مقياس موجه تقليدية من نوع سعة وفي LSG يوفر معلومات قيمة عن الهيكل المكاني لامواج الرياح. يتيح التطبيق المتزامن لكلا هذين الصكين قياسات مستقلة مع عالية الدقة الزمنية من ارتفاع سطح لحظية والعنصرين من منحدر السطح لحظية23. تسمح هذه القياسات تقدير تواتر المهيمنة وطول الموجه الغالبة من الأمواج، فضلا عن توفير نظرة ثاقبة هيكل موجه في الاتجاه العادي للريح. أنبوب بيتو، التي يمكن نقلها عمودياً بمحرك الكمبيوتر التي تسيطر عليها، ويكمل المجموعة من أجهزة الاستشعار ويستخدم لقياس سرعة الرياح.

كل تلك الدراسات التي جعلت من الواضح أن ثابت العشوائية وثريديمينسيوناليتي من الرياح الأمواج يؤدي إلى تقلب كبير من المعلمات يقاس حتى بالنسبة للرياح مما اضطر وموقع قياس واحد. وهكذا، لفترة طويلة القياسات مع المدة بما يتناسب مع الوقت مميزة وتلزم جداول الحقل الموجه المقاسة على تجميع معلومات كافية لاستخراج كميات إحصائية موثوق بها. للحصول على قيمة أعمق الآليات التي تحكم التباين المكاني للحقل الموجه المادية، من الضروري إجراء قياسات في العديد من المواقع والعديد من القيم لمعدل تدفق الرياح قدر الإمكان في المقطع اختبار. ولتحقيق هذا الهدف، وبالتالي أنها مرغوب فيه للغاية لتطبيق إجراء تجريبي الآلي.

تجارب على موجات متحمس بإجبار متقلب الرياح إدخال مستوى إضافيا من التعقيد. في مثل هذه الدراسات، يتحتم لربط المعلمات قياس لحظية إلى المستوى لحظية لسرعة الرياح. النظر في تجارب على موجات متحمس من بقية بالريح مندفعة نحو إجبار كمثال هام. في هذه الحالة، هناك حاجة إلى العديد من القياسات المستقلة حقل الرياح-موجه تطور إطار عمل الرياح التي تختلف في وقت باتباع نفس النمط المحدد24. ثم تحسب المعلمات الإحصائية ذات مغزى، كدالة للزمن المنقضي منذ بدء تدفق الهواء، وأعرب عن طريق حساب متوسط البيانات المستخرجة من فرقة المتراكمة من تحقيقات مستقلة. قد يشمل هذا التعهد عشرات ومئات الساعات من أخذ العينات المستمر. المدة الإجمالية للدورات التجريبية اللازمة لإنجاز مثل هذه مهمة طموحة يجعل النهج كله غير مجد، ما لم تكن هذه التجربة هي مؤتمتة بالكامل. وقد وضعت لا الإجراء التجريبي محوسب تماما في مرافق موجه الرياح حتى وقت قريب. وهذا من بين الأسباب الرئيسية لعدم وجود بيانات إحصائية موثوقة عن موجات الرياح تحت إجبار متقلب.

إذ لا يتكون المرفق المستخدمة للتجربة من المتاحة تجارياً، الأجهزة الجاهزة، وصفاً مختصراً لأجزائه الرئيسية يتم توفيرها هنا.

Figure 1
رقم 1. التخطيطي (عدم تحجيم) عرض مرفق تجريبي- 1-منفاخ؛ 2-تدفق تسوية الدائرة؛ 3-تدفق تسوية الدائرة؛ 4-كاتم الصوت مربعات؛ 5-اختبار القسم؛ 6-الشاطئ؛ 7-مبادل حراري؛ 8-العسل؛ 9-الفوهة؛ 10-وافيماكير؛ 11-رفرف؛ 12-أداة النقل؛ 13-موجه قياس يقودها السائر محرك؛ 14-أنبوب بيتو يقودها السائر محرك. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

مرفق تجريبي يتكون من نفق الرياح الحلقة المغلقة التي شنت على دبابة موجه (طريقة عرض تخطيطي هو مبين في الشكل 1). مقطع الاختبار 5 أمتار طويلة 0.4 متر و 0.5 م عميقة. سيديوالس والكلمة مصنوعة من ألواح الزجاج السميك 6 مم وهي محاطة ضمن إطار مصنوع من الألومنيوم. ويوفر رفرف طويل 40 سم توسع سلس للمقطع العرضي تدفق الهواء من الفوهة على سطح الماء. طاقة الأمواج استيعاب الشاطئ مصنوعة من مواد التعبئة مسامية يقع في نهاية بكثير من الدبابات. منفاخ تسيطر عليها الكمبيوتر يتيح بلوغ سرعة تدفق الهواء يعني في المقطع اختبار ما يصل إلى 15 m/s.

قياس 100 مم طوله موجه خصيصا من نوع السعة مصنوع من التنتالوم المؤكسد. شنت سلك 0.3 مم على مرحلة رأسي مدفوعا بمحرك خطوة تسيطر عليها الكمبيوتر المصممة لمعايرة قياس الموجه. ويستخدم أنبوب بيتو يبلغ قطرها 3 مم لقياس الضغط الديناميكي في الجزء المركزي تدفق الهواء من مقطع الاختبار.

LSG، قياس المياه 2D لحظية السطح المنحدر، مثبت على إطار منفصل عن قسم الاختبار التي يمكن وضعها في أي مكان على طول الخزان (الشكل 2). LSG يتكون من أربعة أجزاء رئيسية: ليزر الصمام ثنائي، عدسة فريسنل، شاشة انتشارية، وجمعية كاشف الاستشعار عن موقف (PSD). صمام ثنائي ليزر يولد 650 نانومتر (أحمر)، 200 ميغاواط مركز شعاع ليزر مع قطرها حوالي 0.5 مم. قطر 26.4 سم فريسنل العدسة مع البعد البؤري 22.86 سم يوجه شعاع الليزر الواردة إلى الشاشة انتشارية 25 x 25 سم2 الموجود في الخلف البؤري للعدسة.

Figure 2
رقم 2. عرض تخطيطي لقياس الانحدار الليزر (LSG)- 1-ليزر أشباه الموصلات؛ 2-عدسة فريسنل؛ 3-انتشارية الشاشة؛ 4-موقف الاستشعار كاشف (PSD). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

ويصف هذا البروتوكول الإجراء الذي يتيح إجراء التجارب التي تقاس معلمات عديدة تميز موجات متقلب في وقت واحد تحت إجبار الرياح تعتمد على الوقت. يمكن تعديل الإجراء لأي الاعتماد المطلوب لسرعة الرياح في الوقت الذي يمكن أن يتحقق نظراً للقيود التقنية مرفق تجريبي. ويصف هذا البروتوكول تحديداً تجارب فيها في كل أعمال، يبدأ الرياح تقريبا تهور على مياه هادئة في البداية. الرياح مطرد مما اضطر ثم يستمر لفترة طويلة يكفي أن يبلغ مجال موجه الرياح في كل مكان في المقطع اختبار الدولة شبه ثابتة. الريح في نهاية المطاف هو إيقاف تشغيل لأسفل، مرة أخرى تقريبا تهور. وتسجل في جميع المراحل، موجه معلمات متعددة. الإجراء الذي يسمح لحساب كميات بلغ فرقة تمثيلية من الناحية الإحصائية العديد تميز ميدان الرياح المحلية لحظية-موجه الرواية، وقد وضعت خلال التجارب الأخيرة التي أجريت في منشآتنا 22 , 23 , 24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-نظام إعداد

  1. ملء الخزان بماء الصنبور تصل إلى عمق 20 سم تقريبا لتلبية الشرط المياه العميقة؛ تنظيف سطح المياه من أي ملوثات قد تؤثر على التوتر السطحي.
  2. ضع أداة النقل عند الجلب المطلوب.
    1. تركيب أنبوب بيتو ووضعه في مركز الجزء تدفق الهواء من مقطع الاختبار.
    2. جبل في قياس الموجه في مرحلة رأسي تسيطر على جهاز الكمبيوتر لتمكين معايرة ثابتة.
  3. قياس موقف الجمعية LSG في إحضار المطلوب والوحشي على مسافة حوالي 7 سم من قياس الموجه للقضاء على التدخل الموجه الجمعية مع مسار بصري.
    ملاحظة: ينصح استخدام ستارة معتمة لمنع التعرض لمديرية الأمن العام إلى الضوء المحيط، فضلا عن حماية البيئة من أفكار زائفة لشعاع الليزر.
    1. محاذاة الليزر وضعه أسفل خزان المياه حيث أن يوجه الشعاع عمودياً، وتركز الشعاع.
    2. موقف فريسنل العدسة داخل مقطع الاختبار على أعلى مستوى ممكن فوق سطح الماء للتقليل من الاضطراب في العدسة لتدفق الهواء.
    3. تأكد من أن شعاع الليزر درا عدد مرات تصفح الموقع العدسة في دورها المركزي ظروف الرياح القصوى المقررة في الدورة التجريبية.
    4. جبل الشاشة انتشارية تماما في المستوى البؤري للعدسة، ثم التحقق من المحاذاة الأفقية والعمودية للعدسة والشاشة.
    5. تأكد من أن أي اثنين من أشعة الليزر العمودي موازية تصل إلى الشاشة انتشارية بالضبط في المركز عند سطح الماء لا يزال.
      ملاحظة: هذا يمكن اختبار باستخدام أشعة الليزر متطابقة اثنين المتمركزة على مسافة بعيدة من بعضها البعض.
    6. موقف مديرية الأمن العام التأكد من كامل منطقة الشاشة المنتشرة داخل منطقة فعالة كاشف. أداء تركز العدسة مديرية الأمن العام بضبط إعدادات العدسة للمسافة الفعلية بين العدسة والشاشة.

2-معايرة وتشغيل أجهزة الاستشعار

  1. معايرة قياس الموجه
    1. إجراء معايرة المقياس موجه لكل موقع قياس وكل السرعة القصوى للرياح من المتوقع في الفترة التجريبية.
      1. تعيين الموضع العمودي للاستشعار حيث يكون متوسط مستوى المياه تقريبا في منتصف طول الأسلاك الاستشعار.
      2. تعيين سرعة منفاخ إلى القيمة المطلوبة، والسماح للرياح إلى ضربة مطردا لفترة طويلة بما فيه الكفاية (2-3 دقيقة).
      3. يدوياً باستخدام الذبذبات، ضبط حساسية، والكسب، والإزاحة لقياس الموجات باستخدام وحدة مكيف للتأكد من وجود الجهد القيم المقابلة لأعلى قمة والحوض الأدنى المتوقع في مجال الموجه داخل نطاق A/D محول (+/-10 V).
      4. إيقاف المنفاخ لعدة دقائق، حتى يصبح سطح الماء تماما دون عائق.
      5. تحقق من أن طول المغمورة داخل كريست الحد الأقصى المتوقع وقياس القيم الحوض بتحريك الموجه عمودياً.
      6. إجراء المعايرة التلقائية لقياس الموجات باستخدام روتين مصنوعة خصيصا في مياه غمر المقياس على عدد من أعماق محددة وتسجيل الإخراج يعني الجهد خلال 5 s لكل عمق.
      7. يصلح بمعايرة التربيعية متعدد الحدود للبيانات المسجلة للحصول على الاعتماد على H(V)، حيث H هو عمق الغمر (المقابلة لارتفاع السطح لحظية)، كدالة لقياس الناتج الجهد V.
      8. التحقق بصريا نوعية معايرة تركيب متعدد الحدود (الشكل 3).

Figure 3
الشكل 3. منحنى معايرة قياس الموجه. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

  1. معايرة وضبط LSG
    1. التحقق من أداء LSG بعد كل التشرد الجمعية أجهزة الاستشعار.
      1. استخدام بريزم آسفين ضوئية وضعها على ورقة زجاج أفقية، ينحرف شعاع الليزر فيما يتعلق بمحور بصري محاكاة منحدر معروفة مياه سطحية.
      2. النواتج العينة مديرية الأمن العام لشعاع الليزر انحرفت بقعة في الشاشة انتشارية باستخدام الذبذبات أو برنامج اقتناء بيانات مبنية خصيصا.
      3. حساب زاوية انحراف الشعاع والمنحدر من تنسيق بقعة شعاع الليزر تنسيق المقاسة؛ مقارنة النتيجة مع زاوية آسفين المعروفة.
      4. كرر هذا الإجراء لعدة زوايا انحراف استخدام المناشير واحد أو أكثر.
        ملاحظة: استخدمت المناشير آسفين مع انحراف زوايا تتراوح بين 2.5 درجة مئوية إلى 17.5 درجة؛ إذا فشل الاختبار بسبب اختلالها من مديرية الأمن العام مع الشاشة انتشارية، ضبط مديرية الأمن العام يدوياً، لتصحيح اختلال. هذا الإجراء يتم يدوياً باستخدام مرحلة ترجمة أفقي 2D ومستوى ويستغرق وقتاً طويلاً جداً.
    2. تحقق الخطي لإجراء المعايرة وتنمية القطاع الخاص
      1. وضع شبكة متباعدة بالتساوي وقد تم طباعتها على ورقة شفافة على الشاشة انتشارية وتوجيهه حيث أن لها محاور، x و y، تتماشى مع الأسفل وعبر اتجاهات الرياح، على التوالي (الشكل 4).
        ملاحظة: الشبكة يسهل توجيه شعاع الليزر إلى المواقع المطلوبة على الشاشة انتشارية مريح ودقة أما باستخدام مجموعة من المناشير أو تتحرك الليزر أسفل الشاشة انتشارية في الاتجاهين على طول الرياح و crosswind.
      2. استخدام مجموعة المناشير، يصرف شعاع الليزر الرأسي للحصول على عدة مواقف شعاعي شعاع الليزر بقعة على الشاشة انتشارية مع المحافظة على زاوية السمتية مستمر.
        ملاحظة: يتم استخدام القرار من 1 سم وقطرها 7 سم القصوى لكل من الزوايا السمتية 9.
      3. تتحرك بقعة ليزر لمواقف متعددة في العاشر--الاتجاه، مع إبقاء y تنسيق ثابت، ثم تغيير اتجاه الحركة إلى y، وتبقى x ثابتة.
        ملاحظة: النطاق والقرار المستخدمة مماثلة لتلك التي من المقطع السابق.
      4. تجمع حوالي 50 نقطة على الشبكة في كل المعايرة.
        ملاحظة: يتم الحصول عليها من مديرية الأمن العام إحداثيات المكان شعاع الليزر وتقييمها باستخدام الذبذبات ثنائي القناة موحدة متصلاً بمديرية الأمن العام.
        1. لكل اتجاه، تناسب استخدام الخطي للبيانات تسفر عن معاملات المعايرة لتحويل إحداثيات شعاع الليزر على استشعار مديرية الأمن العام إلى إحداثيات المقابلة على الشاشة انتشارية.
          ملاحظة: مثال لمعايرة PSD المرسومة في الشكل 5 لمجموعة من النقاط التي اتخذت على طول خط الوسط لمقطع الاختبار. استجابة أجهزة الاستشعار، وهكذا معاملات المعايرة، متطابقة تقريبا في جميع الاتجاهات عند محاذاة محاور الشاشة انتشارية والاستشعار بشكل صحيح. تسهل الشبكة إجراء المعايرة، مما يسمح تحديد إحداثيات المنحدر الليزر سهلة على الشاشة انتشارية.

Figure 4
الشكل 4. الشبكة الشاشة انتشارية. تسهل الشبكة توجيه شعاع الليزر إلى المواقع المطلوبة على الشاشة انتشارية مريح ودقيق، أما باستخدام مجموعة من المناشير أو تتحرك الليزر أسفل الشاشة المنتشرة في طول الرياح واتجاهات crosswind الرجاء النقر هنا عرض نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الرقم 5. منحنى المعايرة مديرية الأمن العام- يوضح الشكل أن ترجمة مديرية الأمن العام إخراج الفولتية للإحداثيات يعطي نتائج كافية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

3-الإجراء التجريبية والحصول على البيانات

ملاحظة: انظر التكميلية الرقم 1 لواجهة المستخدم المستخدمة في الخطوات التالية.

  1. ضبط تردد منفاخ باستخدام واجهة مستخدم برنامج المواصفات.
    ملاحظة: زيادة تدريجية نحو سرعة الرياح على سطح الماء دون عائق في البداية طبق، متبوعاً بمعدل تدفق الهواء مطرد لمدة محددة (120 s)، وإيقاف التسرع ما يقرب من المنفاخ.
  2. تحديد عدد معدلات تدفق الرياح ثابتة مختلفة وإعدادات منفاخ اللازمة.
  3. ضبط إعدادات محول طاقة الضغط إلى النطاق المتوقع من اختلافات الضغط الدينامي للكشف عنها بواسطة أنبوب بيتو.
  4. تأكد من أنه في بداية كل أعمال، هناك لا الرياح وسطح الماء دون عائق (مرآة ناعمة). بدء الحصول على البيانات شكل متزامن مع عملية المنفاخ.
  5. سجل ارتفاع سطح لحظية، مكونات السطح المنحدر في طول-اتجاهات crosswind، أنبوب بيتو إخراج رصد سرعة الرياح يعني يو، ومعدل تباين الجهد من وحدة تحكم منفاخ في أخذ العينات المنصوص عليها ( وقد استخدمت 300 هرتز/القناة).
    ملاحظة: يتم تحويل الجهد من قياس الموجات التي حصل عليها البرنامج تلقائياً إلى ارتفاع السطح باستخدام معاملات المعايرة من احتواء المعروضة في الشكل 3.
  6. مواصلة أخذ العينات لفترة كافية لتسجيل الحقل موجه المتحللة بعد إغلاق المنفاخ.
  7. عند الانتهاء من أخذ العينات، تأكد من أن الإجراء التجريبي التلقائي يسمح وقت كاف (حسب النظام) جلب المياه السطحية لحالة دون عائق قبل بدء التشغيل التالية.
  8. حفظ جميع البيانات المسجلة للمعالجة اللاحقة.
  9. القيام بالعدد المحدد من المدركات (100 عادة مستقلة تدير عثر كافية).
  10. حساب المعلمات الفرقة في المتوسط من البيانات المسجلة كدالة للوقت المنقضي منذ بدء المنفاخ.
  11. كرر الإجراء بأكمله للإعداد التالي للمقابلة لسرعة الرياح الهدف المحدد في المقطع اختبار المنفاخ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يتم رسم نتائج فرقة في المتوسط الممثل في الشكل 6و الرقم 7، و الرقم 8. اختلاف القيم RMS من ارتفاع سطح لحظية <η2>1/2 الذي يميز السعة لموجات الرياح العشوائية كما عرضت في الشكل 6 كدالة للزمن المنقضي منذ بدء المنفاخ. وترد نتائج لمسافات 3 من وافيماكير، x، وسرعات الرياح الثلاث المستهدفة، u.

لإحضار الثابتة x، زيادة الاتساع الموجه مميزة الدولة شبه ثابت التوازن مع سرعة الرياح يو؛ ومع ذلك، المدة اللازمة لتحقيق قيمة ثابتة أو شبه <η2>1/2 بعد الشروع في المنفاخ لا يبدو أنه يعتمد بشدة على يو في أي معطى عاشرا زيادة قيم التوازن ستريك موجه مميزة لقيمة هدف مستمر للرياح مما اضطر يو مع الجلب. لاحظ أيضا أن التباين في معدل التغير من <η2>1/2 يمكن تحديدها في كل منحنى المرسومة في الشكل 6، مما يوحي بوضوح وجود مراحل مميزة في نمو أمواج الرياح عملية. بلغ متوسط الفرقة RMS قيم اتجاه الريح والمكونات المنحدر crosswind و <ηx2>1/2 و <ηص2>1/ 2، يتم رسمها في الشكل 7 fetches اثنين واثنين من القيم لسرعة الرياح الأمريكية.

يتضح من مقارنة الرقم 6 و الرقم 7 أن الوقت مميزة جداول تباين لكل من مكونات السطح المنحدر خاصة أقصر من جداول المقابلة لاختلاف ارتفاع السطح. شبه ثابت القيم <ηx2>1/2 و1/<ηص2>2 من نفس ترتيب الحجم، على الرغم من أن السمة المنحدرات في اتجاه crosswind أصغر من المنحدرات في اتجاه على طول الرياح. هذه النتائج تشير إلى أن أمواج الرياح متوج قصيرة وثلاثي الأبعاد. القيم المنحدر المميزة في كلا الاتجاهين تحت إجبار الرياح شبه ثابت ويبدو أن تكون مستقلة أساسا لجلب x، ولكن تزيد مع سرعة الرياح الأمريكية. إلقاء نظرة فاحصة على التغير الزمني من مكونات المنحدر اثنين ل ثابت x و U يكشف أن الزيادة الأولية في <ηx2>1/2 استمرار و لا سيما أسرع من <ηص2>1/2. وهكذا، خلال المرحلة المبكرة جداً من نمو تموجات الأولية التي تظهر على سطح الماء هادئة مع تفعيل الرياح، أنها يمكن اعتبار الأبعاد تقريبا. هذه المرحلة لا تدوم إلا لجزء من الثانية واحد؛ ومع ذلك، من المهم التأكيد على أن يطور ثريديمينسيوناليتي الأساسية للحقل الموجه مع بعض تأخير.

سلوك الحقل الموجه بعد إغلاق المنفاخ هو هو موضح في الشكل 8. موجات المتبقية في الخزان التهاوي السريع، وفعالية التلاشي بعد حوالي 1 دقيقة.

Figure 6
الشكل 6. التغير الزمني من RMS من الارتفاع السطح. يوضح الشكل أن المقاييس الزمنية لاختلاف ارتفاع الأمواج المميزة يمثلها <η2>1/2 تعتمد على سرعة الرياح الهدف يو وعلى جلب العاشر- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
رقم 7. الاختلاف مع الوقت RMS مكونات اتجاه الريح/الصليب-الرياح السطحية المنحدر. فرقة-بلغ متوسط القيم RMS لاتجاه الريح والمكونات المنحدر crosswind و <ηx2>1/2 و <ηص2>1/2، يتم رسم هنا. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 8
الرقم 8. قدم تسوس الرياح-الموجه بعد إغلاق المنفاخ. بلغ متوسط الفرقة RMS قيم اتجاه الريح و crosswind المنحدر مكونات <ηx2>1/2 و <ηص2>1/2، المرسومة في الشكل 7 fetches اثنين واثنين من القيم لسرعة الرياح الأمريكية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

التكميلية الرقم 1: واجهة المستخدم البرامج مبنية خصيصا للحصول على البيانات. اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ويهدف هذا البروتوكول التجريبي في الوصف الكمي لحقل الموجه تحت إجبار متقلب الرياح التي تتطور في الزمان والمكان. منذ أمواج الرياح هي أساسا عشوائية وثلاثي الأبعاد، وهكذا تختلف بسرعة في الزمان والمكان، محاضر تحقيقات فردية من حقل الرياح الموجه المتزايدة تحت إجبار الرياح تعتمد على الوقت يمكن أن توفر سوى تقديرات نوعية الإدارة موجه المعلمات. لتحقيق الهدف من هذا البروتوكول، والحصول على خصائص موجه موثوقة إحصائيا والجلب-تعتمد على الوقت، وقت-حل الفرقة في المتوسط من يدير تجريبية عديدة مع نمط مطابقة لتباين الرياح في الوقت قد يكون تطبيقها. نظراً لتراكم هذه المعلومات مفصلة ومستفيضة لسرعات الرياح المستهدفة المختلفة و fetches تستغرق وقتاً طويلاً جداً، الإجراء التجريبي يجب أن تكون تلقائية ومرنة بما فيه الكفاية للسماح بإجراء التعديلات اللازمة لمختلف الرياح فرض الشروط. على حد علمنا، كان الإجراء التجريبي الموضح في هذه المخطوطة التي قادرة على توفير معلمات الحقل موجه الإحصائية المتنوعة تحت إجبار الرياح المتغيرة مع القرار الزماني والمكاني غير متوفرة إلى حد كبير حتى الآن.

علما بأن مدة التجارب المطلوبة لإجراء قياسات الرياح-موجه في موجه مختبرات دبابة تزيد بشكل كبير مع حجم المرفق. ويرجع هذا جزئيا زيادة مدة مرحلة النمو الموجه مع إحضار (انظر الشكل 6). أطوال الموجات وفترات أيضا تنمو مع إحضار17،21،23،24، وبالتالي لتجميع البيانات التمثيلية إحصائيا، مدة التجربة في كل تشغيل له لفترة طويلة مقارنة ب فترة الموجه المهيمنة المقابلة. قد المدركات الفردية في fetches أطول بشكل ملحوظ من تلك المستخدمة في هذه الدراسة ومن ثم لتكون أكثر طولاً. بل الأهم من ذلك، أطوال موجية أطول متحمس بالرياح في أي مرفق تجريبي وسام مميزة طول الدبابة. موجات المتبقية المتبقية في الخزان بعد إغلاق الريح في منشأة أكبر وبالتالي تتطلب أوقات أطول تسوس بهم. الفاصل الزمني بين تشغيلات متتالية في خزان أكبر موجه رياح المطلوبة للعودة إلى سطح المياه دون عائق ولذلك يجب أن يكون كبير أطول من فترة ست دقائق المستخدمة في تجاربنا.

يمكن تطبيق النهج العام المبين أعلاه لمجموعة متنوعة من الرياح ثابت ومتقلب فرض الشروط. في هذه المخطوطة، اختير التغير الزمني لإجبار الرياح بهدف تمكين تراكم مجموعة كافية من البيانات لدراسة حقل الموجه متقلب إطار أجبر الرياح فعالية متهورة وإيقاف التشغيل، فضلا عن إجبار الرياح مطرد. وتحقيقا لهذه الغاية، تم الحرص على ضمان الهدوء ودون عائق قبل الشروع في تشغيل تجريبي كل سطح الماء. في كل تكرار، الرياح وبدأ تقريبا تهور المنفاخ، ثم بمعدل تدفق الهواء ظل ثابتاً لفترة طويلة بما فيه الكفاية (2 دقيقة في التجارب الحالية)، بعد ذلك تم إيقاف المنفاخ. ويسمح هذا النهج دراسة المتطورة بشكل منفصل وقتيا حقول الرياح الموجه المتزايدة من سطح مياه هادئة في البداية إلى الدولة شبه ثابت في سرعة الجلب والرياح معين، ثم السمة لموجات تحت إجبار الرياح مطرد، وأخيراً تسوس موجات مجرد إجبار الرياح فجأة متوقف عن التشغيل.

مدة كل أعمال فردية في هذه الدراسة تحتوي على الهدوء أسفل الفترة وبالتالي يتجاوز 8 دقيقة. لذلك، تراكمت التجارب في البيانات التي 100 مستقل يعمل على إحضار واحد وسرعة الرياح هدفا آخر ما يقرب من 15 ساعة (بما في ذلك مدة إجراء المعايرة قياس الموجه). فمن الواضح أن لهذا مسعى أن تكون ناجحة، من الضروري أن الإجراءات التجريبية بأكملها يمكن أن يتم بشكل تلقائي، أي تماما دون تدخل الإنسان.

وبالتالي ينبغي التشديد على أن أهمية بالغة إلى الحجم المتواضع لمنشآتنا وإجراءات قياس ومعايرة مؤتمتة بالكامل لتنفيذ النهج التجريبي الذي اعتمد. بينما نتائج مفصلة عن تطور حقل الرياح الموجه تحت إجبار متقلب وسيقدم في المستقبل في أي مكان آخر، ومن الواضح من الرقم 6و الرقم 7، و الرقم 8 أن المعلومات لم تكن متاحة سابقا على ما يرام تفاصيل هو تطور موجه الرياح المتراكمة في هذه الدراسة. ستستخدم هذه المعلومات للتحقق من صحة النماذج النظرية المختلفة التي تتعامل مع الإثارة لموجات من الرياح1،2،3،،من45،24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لها علاقة بالكشف عن المؤلف.

Acknowledgments

هذا العمل كان تدعمه "مؤسسة العلوم إسرائيل"، منحة # 306/15.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PSD THORLABS PDP90A
Laser Diode any laser pointer ≤ 200 mW
Aspheric Fresnel Lens EDMUND OPTICS #46-390 Diameter 10.4'', Focal length 9''
Wave-gauge custom made
Pressure Transducer MAMAC SYSTEMS PR-274-R2-VDC
Signal Conditioner custom made
Diffusive screen EDMUND OPTICS #02-147
Water tank custome made
A/D card PCI-6221 National Instruments 779066-01
Pitot tube KIMO Instruments 12971
15° Nom. VIS-NIR Coated, Wedge Prism EDMUND OPTICS #47-624
10° Nom. VIS 0° Coated, Wedge Prism EDMUND OPTICS #49-444
2.5° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated EDMUND OPTICS #84-863
4° Nom. Uncoated, Wedge Prism EDMUND OPTICS #43-650
5.0° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated EDMUND OPTICS #84-865
LabView Full Development System National Instruments 776670-35

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة، العدد 132، أمواج الرياح، قياس الليزر المنحدر، دبابة موجه الرياح، وفرقة في المتوسط، والتغير المكاني والزماني، الرياح
قياسات الموجات في خزان موجه رياح تحت إجبار الرياح مطرد واختلاف الوقت
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zavadsky, A., Shemer, L.… More

Zavadsky, A., Shemer, L. Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing. J. Vis. Exp. (132), e56480, doi:10.3791/56480 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter