Summary
Dette manuskript beskriver en fuldt computerstyrede procedure, der gør det muligt at opnå pålidelige statistiske parametre fra eksperimenter af vand bølger ophidset af stabil og ustabil vind tvinger i et mindre anlæg.
Abstract
Dette manuskript beskriver en eksperimentel procedure, der giver mulighed for at indhente forskellige kvantitative oplysninger om tidsmæssige og rumlige evolution af vand bølger ophidset af tidsafhængig og steady vind tvang. Kapacitans-type bølge gauge og Laser skråning Gauge (LSG) bruges til at måle øjeblikkelig vand overflade elevation og to komponenter af den øjeblikkelige overflade hældningen på en række steder langs afsnittet test af en vind-bølge facilitet. Den computer-kontrollerede blæser giver luftstrøm over vandet i akvariet hvis sats kan variere i tid. I de nuværende eksperimenter stiger vindhastighed i afsnittet test oprindeligt hurtigt fra resten til den indstillede værdi. Det er derefter holdes konstant for de foreskrevne varighed; Endelig er luftstrømmen lukket ned. I begyndelsen af hver eksperimentelle run vandoverfladen er roligt og der er ingen vind. Drift af blæseren indledes samtidig med erhvervelsen af data fra alle sensorer af en computer; dataopsamling fortsætter indtil bølger i tanken fuldt forfald. Flere uafhængige kører udføres under identiske tvinger betingelser tillade bestemmelse af statistisk pålidelige ensemble-gennemsnit karakteristiske parametre, der kvantitativt beskriver vind-bølgerne variation i tidspunktet for den oprindelige udviklingsfasen som en funktion af fetch. Proceduren giver også kendetegner den rumlige udviklingen i feltet bølge under steady vind tvinger, og henfald af bølger i gang, når vinden er lukket ned, som en funktion af fetch.
Introduction
Siden oldtiden, har det været kendt, at bølger på vandet overflader er ophidset af vinden. Den nuværende forståelse af de fysiske mekanismer, der styrer denne proces langtfra er tilfredsstillende. Talrige teorier forsøger at beskrive vind-bølge generation blev foreslået over år1,2,3,4, men deres pålidelige eksperimentelle validering ikke er endnu tilgængelige. Målinger af tilfældig vind-bølger i havet er ekstremt udfordrende på grund af uforudsigelig vind, der kan variere hurtigt i retning, størrelsesorden. Laboratorieforsøg har fordel af kontrollerbare betingelser, der aktiverer langvarig og repeterbare målinger.
Under jævn vind tvinger i laboratoriemiljø, udvikle vind-bølger i rummet. Tidlig laboratorieforsøg på bølger under konstant tvinger var udført årtier siden begrænset til øjeblikkelig overflade elevation målinger5,6,7,8. Nyere undersøgelser også ansat forskellige optiske teknikker at måle øjeblikkelig vand overfladen hældning vinkel, som LSG9,10. Disse målinger mulighed for at få nogle begrænsede kvalitative oplysninger om tre-dimensionelle struktur af vind-bølge felter. Når vinden tvinger er ustabil, da det er i markforsøg, introduceres ekstra kompleksitet på problemet med vand bølger excitation af vinden, da de statistiske parametre i den resulterende bølge felt varierer ikke blot i rummet men i tid så godt. De forsøg på hidtil at beskrive bølge evolution mønstre kvalitativt og kvantitativt under tidsafhængig tvinger blev kun delvist vellykket11,12,13,14 , 15 , 16. den relative bidrag af forskellige plausible fysiske mekanismer, der kan føre til magnetisering og vækst af bølger på grund af vinden handling er stadig stort set ukendt.
Vores eksperimentelle facilitet var designet med det formål at aktivering ophobning af nøjagtige og forskelligartede statistiske oplysninger om variationen af vind-bølge felt egenskaber under enten stabil eller ustabil vind tvang. To hovedfaktorer lettere at gennemføre disse detaljerede undersøgelser. Først, den beskedne størrelse af faciliteten resultater i relativt korte karakteristiske evolution skalaer i tid og rum. For det andet er hele eksperimentet fuldt kontrolleret af en computer, således at effektiviteten af eksperimentelle kører under forskellige forsøgsbetingelser praktisk og automatisk uden menneskelig indgriben. Disse funktioner af den eksperimentelle set-up er af afgørende betydning i at udføre eksperimenter på bølger spændt fra resten af impulsiv vind.
Rumlige vækst af vind-bølger under konstant tvinger er blevet undersøgt i vores anlæg for en række vind hastigheder17. Resultater blev sammenlignet med vækst sats skøn baseret på teorien om18 Miles som fremlagt af plante19. Sammenligningen viste, at de eksperimentelle resultater adskiller sig især fra de teoretiske forudsigelser. Yderligere vigtige parametre blev også fremstillet i17, som betyder trykfald i afsnittet test samt de absolutte værdier og faser af karakteristiske statisk tryk udsving. Shear stress på grænsefladen luft-vand er afgørende for karakterisering af momentum og energi overførsel mellem vind og bølger17,19. Derfor detaljerede målinger af logaritmisk grænselag og de turbulente udsving i luftstrøm over vand bølger blev udført på talrige henter og vind hastigheder20. Værdierne af friktion velocity u* på grænsefladen luft-vand bestemmes i denne undersøgelse blev brugt til at opnå dimensionsløs statistiske parametre i de vind-bølger målt i vores facilitet21. Disse værdier blev sammenlignet med de tilsvarende dimensionsløs parametre er fremstillet i større eksperimentelle installationer og feltforsøg. Det fremgik tidligere21 , med korrekt skalering, de vigtige egenskaber for feltet vind-bølge fremstillet i vores små anlæg ikke afviger væsentligt fra den tilsvarende data akkumuleret i større laboratorium anlæg og åbent hav målinger. Disse parametre omfatter rumlige vækst af repræsentative bølgehøjde og bølgelængde, form af frekvensspektret af den overflade elevation, samt værdierne af højere statistiske øjeblikke.
De efterfølgende undersøgelser i vores anlæg22,23 viste, at vinden bølger er hovedsagelig tilfældig og tre-dimensionelle. For at få et bedre indblik i 3D-struktur af vind bølger, blev forsøgt at udføre kvantitative tidsafhængig målinger af vand overfladen højde over et udvidet område ved hjælp af stereo video imaging22. På grund af utilstrækkelig computerkraft på nuværende og forarbejdning algoritmer, der ikke endnu er tilstrækkeligt effektive, disse forsøg vist sig for at være kun en delvis succes. Dog blev det påvist at kombineret brug af en konventionel kapacitans-type bølge gauge og LSG giver værdifuld information om den rumlige struktur af vind bølger. Samtidig anvendelse af begge disse instrumenter muliggør uafhængige målinger med høj tidsmæssige opløsning af den øjeblikkelige overflade elevation og af de to komponenter i den øjeblikkelige overflade skråning23. Disse målinger giver mulighed for vurdering af både den dominerende frekvens og dominerende bølgelængde af bølgerne, samt at give indsigt i den bølge struktur i retningen vinkelret på vinden. En pitotrør, som kan flyttes lodret af en computerstyret motor, supplerer sæt af sensorer og bruges til målinger af vindhastighed.
Alle disse undersøgelser gjort klart, at tilfældighed og tredimensionalitet af vind bølger resultere i betydelig variation af de målte parametre selv for steady vind tvinger og en enkelt måling placering. Således forlænget målinger med varighed svarer til de karakteristiske tid skalaerne i feltet målte bølge er nødvendige for at samle tilstrækkelige oplysninger til at udtrække pålidelige statistiske mængder. For at få værdifulde fysiske indsigt i de mekanismer, der regulerer rumlige variation af feltet bølge, er det bydende nødvendigt at foretage målinger på talrige lokationer og til så mange værdier af vind flow som muligt i afsnittet test. For at nå dette mål, er det således ønskeligt at anvende en automatiseret eksperimentel procedure.
Eksperimenter på bølger ophidset af usikker vind tvinger indføre et ekstra niveau af kompleksitet. I sådanne undersøgelser er det bydende nødvendigt at relatere de øjeblikkelig målte parametre til det øjeblikkelige niveau af vindhastigheden. Overveje eksperimenter på bølger spændt fra resten af en næsten impulsiv vind tvinger som et vigtigt eksempel. I dette tilfælde er mange uafhængige målinger nødvendige for vind-bølge udvikler sig under påvirkning af vind, der varierer i tid efter den samme foreskrevne mønster24. Meningsfuld statistiske parametre, udtrykt som funktion af tiden gået siden indledningen af luft flow, beregnes derefter ved gennemsnit data udvundet fra den akkumulerede ensemble af uafhængige erkendelser. Denne virksomhed kan indebære tiere og hundrede timers kontinuerlige prøveudtagninger. Den samlede varighed af eksperimentelle sessioner kræves for at udføre en ambitiøs opgave gengiver hele tilgangen umuligt, medmindre forsøget er fuldautomatisk. Ingen sådanne fuldt edb forsøgsmetoden i vind-bølge faciliteter er blevet udviklet, indtil for nylig. Der er blandt hovedårsagerne til manglen på pålidelige statistiske data om vind bølger under usikker tvinger.
Siden anlægget bruges til eksperimentet ikke er konstrueret fra kommercielt tilgængelige, off-the-shelf hardware, en kort beskrivelse af dens hoveddele tilbydes her.
Figur 1. Skematisk (ikke at skalere) visning af det eksperimentelle facilitet. 1 - blæser; 2 - indstrømning afregning kammer; 3 - udstrømning afregning kammer; 4 - lyddæmper kasser; 5 - test afsnit; med en 6 - strand; 7 - varmeveksler; 8 - honeycomb; 9 - dyse; 10 - wavemaker; 11 - flap; 12 - instrument transport; 13 - bølge gauge drevet af en motor, stepper; 14 - pitotrør drevet af en motor, stepper. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Eksperimentelle anlægget består af et lukket kredsløb vindtunnel monteret over en bølge tank (en skematisk oversigt er vist i figur 1). Afsnittet test er 5 m lang, 0,4 m bredt og 0,5 m dybt. Sidevægge og gulv er lavet af 6 mm tykke glasplader og er indkapslet i en ramme lavet af aluminium profiler. En 40-cm lange flap giver en glat udvidelse af luftstrømmen tværsnit fra dysen til vandoverfladen. Bølge energiabsorberende stranden lavet af porøs emballagen er beliggende i den fjerneste ende af tanken. En computer-styrede blæser giver mulighed for at opnå gennemsnitlige luft flow hastighed i afsnittet test op til 15 m/s.
Skræddersyede kapacitans-type 100 mm-langbølge gauge er lavet af anodiseret tantal. 0,3 mm wire er monteret på en lodret scenen drives af en PC-kontrollerede trin motor designet til bølge gauge kalibrering. Pitot rør med en diameter på 3 mm bruges til at måle den dynamiske tryk i den centrale luftstrømmen del af afsnittet test.
LSG, måle øjeblikkelig 2D vand overfladen skråning, er installeret på en ramme, der er adskilt fra afsnittet test, der kan placeres på ethvert sted langs tank (figur 2). LSG består af fire hoveddele: en laserdiode, en Fresnel-linse, en diffuserende skærm og en placering Sensing detektor (PSD) forsamling. Laser dioden genererer en 650 nm (rødt), 200 mW focusable laserstråle med en diameter på ca. 0,5 mm. 26,4 cm diameter Fresnel linse med brændvidde på 22.86 cm dirigerer indgående laserstrålen til 25 x 25 cm2 diffuserende skærmen beliggende i tilbage brændplanet af linsen.
Figur 2. Skematisk visning af Laser skråning Gauge (LSG). 1 - laser diode; 2 - Fresnel linse; 3 - diffuserende skærm; 4 - position Sensor detektor (PSD). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Denne protokol beskriver den procedure, der tillader udførelse af eksperimenter hvor mange parametre kendetegner usikker bølger måles samtidigt under tidsafhængig vind tvinger. Proceduren kan tilpasses enhver ønskede afhængighed af vindhastighed på tid, der kan opnås på baggrund af de tekniske begrænsninger af det eksperimentelle facilitet. Denne protokol beskriver specifikt eksperimenter hvor i enhver erkendelse, vinden begynder næsten impulsivt over i første omgang roligt vand. Støt vinden tvinger derefter varer for længe nok, at opnår feltet vind-bølge overalt i afsnittet test kvasi steady state. Vinden er til sidst lukke ned, igen næsten impulsivt. På alle stadier registreres flere bølge parametre. Den procedure, der giver mulighed for beregning af talrige statistisk repræsentative gennemsnit af ensemble mængder kendetegner feltet øjeblikkelige lokale vind-bølge er romanen, og blev udviklet i løbet af de seneste eksperimenter udført i vores anlæg 22 , 23 , 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. systemet forberedelse
- Fyld tanken med vand fra hanen til en dybde af ca. 20 cm til at tilfredsstille dybt vand tilstand; rent vandoverfladen af alle forurenende stoffer, der kan påvirke overfladespænding.
- Placer instrument transport på den ønskede fetch.
- Montere pitotrør, og Placer den i midten af airflow del af afsnittet test.
- Montere bølge sporvidde på en computer-styrede lodret scenen til at aktivere sin statiske kalibrering.
- Position LSG samling på den ønskede fetch- og i den laterale afstand af ca. 7 cm fra den bølge gauge at fjerne forstyrrelser af bølgen gauge forsamling med en optisk transmissionslængde.
Bemærk: Brugen af en uigennemsigtige forhæng anbefales at forhindre eksponering af PSD til omgivende lys, samt at beskytte miljøet mod falske refleksioner af laserstrålen.- Juster laser placeret under vandbeholderen, så at strålen er rettet lodret, og fokusere strålen.
- Position fresnel-linse i afsnittet test så højt som muligt over vandoverfladen at minimere den linse forstyrrelse af luftstrømmen.
- Sørg for, at den udadbøjede laserstråle rammer linsen i dets centrale del under ekstreme vindforhold planlagt i den eksperimentelle session.
- Montere diffuserende skærmen præcis på brændplanet af linsen, så tjek den vandrette og lodrette justering af både linsen og skærmen.
- Sørg for, at enhver to parallelle vertikale laserstråler ramte diffuserende skærmen præcis på midten når vandoverfladen er stadig.
Bemærk: Det kan afprøves, ved hjælp af to identiske lasere placeret i nogen afstand fra hinanden. - Placere PSD og sørg for, at hele området af skærmbilledet diffuserende er effektiv inden for detektoren. Udføre fokusering af PSD objektivet ved at justere indstillingerne linse til den faktiske afstand mellem objektivet og skærmen.
2. kalibrering og drift af sensorer
-
Kalibrering af bølge gauge
- Udføre bølge gauge kalibrering for hver måling placering og hver maksimale Vind hastighed forventes i den eksperimentelle run.
- Angive den lodrette placering af sensoren, så den gennemsnitlige vandstanden er ca midt i sensing ledningerne længde.
- Indstillet blæser hastighed til den ønskede værdi, og tillader vinden til at blæse støt i tilstrækkelig lang tid (2-3 min).
- Ved hjælp af et oscilloskop, manuelt justere sensibilitet, gevinst og forskydningen af bølge måleren ved hjælp af enhedens balsam til at sikre, at de spænding værdier svarende til den højeste crest og laveste lavpunktet forventes i feltet bølge er inden for rækkevidde af A/D Konverter (+/-10 V).
- Luk blæseren i flere minutter, indtil vandets overflade bliver helt uforstyrret.
- Kontroller, at den undersøiske længde er inden for forventede maksimale crest og trug værdier ved at flytte bølgen måle lodret.
- Udføre automatiske kalibrering af bølge måleren ved hjælp af en skræddersyet rutine i stillestående vand nedsænkning maskemåleren på en række angivne dybder og optage den gennemsnitlige spænding output under 5 s for hver dybde.
- Passe en kvadratisk kalibrering polynomium til de registrerede data at opnå afhængighed H(V), hvor H er nedsænkning dybde (svarende til den øjeblikkelige overflade elevation), som en funktion af udgangsspænding måler V.
- Kontroller visuelt kvaliteten af den indbyggede kalibrering polynomium (figur 3).
- Udføre bølge gauge kalibrering for hver måling placering og hver maksimale Vind hastighed forventes i den eksperimentelle run.
Figur 3. Kalibreringskurven for wave måleren. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
-
Kalibrering og justering af LSG
- Kontrollere udførelsen af LSG efter hver forskydning af sensor forsamling.
- Ved hjælp af en optisk kile prisme placeret på en vandret glaslaget afvige laserstråle med hensyn til den optiske akse simulerer en kendt vand overfladen skråning.
- Prøven PSD udgange af afbøjet laserstrålen spot på diffuserende skærmen ved hjælp af et oscilloskop eller en specialbygget erhvervelse program.
- Beregne beam afbøjning vinkel og hældning fra den målte koordinere laser stråle spot koordinat; Sammenlign resultatet med den kendte kile vinkel.
- Gentag proceduren for flere afbøjning vinkler ved hjælp af en eller flere prismer.
Bemærk: Kile prismer med afbøjning vinkler spænder fra 2,5 ° til 17,5 ° blev brugt; Hvis testen mislykkes på grund af forskydning af PSD med skærmbilledet diffuserende, justere PSD manuelt, for at korrigere fejljusteringen. Denne procedure udføres manuelt ved hjælp af en 2D vandrette oversættelse fase og et niveau og er meget tidskrævende.
-
Verifikation af lineariteten af PSD og kalibrering procedure
- Placer et jævnt fordelt gitter, der er udskrevet på en gennemsigtig plade på skærmbilledet diffuserende og orientere det så at dens akser, x og y, er justeret med ned og på tværs af vindretninger, henholdsvis (figur 4).
Bemærk: Gitteret letter lede laserstråle til de ønskede placeringer på skærmbilledet diffuserende bekvemt og præcist ved hjælp af et sæt af prismer eller flytte laser under diffuserende skærmen i langs-vind og sidevind retninger. - Ved hjælp af sæt af prismer, aflede den lodrette laserstråle for at få flere radial positioner af spot på skærmbilledet diffuserende laserstrålen samtidig opretholde en konstant azimutale vinkel.
Bemærk: Opløsning af 1 cm og maksimal radius af 7 cm anvendes for hver af de 9 azimutale vinkler. - Flytte laser spot til flere positioner i x-retning, samtidig med at y koordinere konstant, derefter ændre retningen af bevægelsen til y, og holde x konstant.
Bemærk: Rækkevidde og opløsning, der bruges er magen til dem fra det foregående afsnit. - Indsamle omkring 50 point på gitteret i hver kalibrering.
Bemærk: Laser stråle spot koordinater er erhvervet af PSD og evalueret ved hjælp af en standard to-kanals oscilloskop tilsluttet PSD.- For hver retning passer brug lineær data at give kalibrering koefficienter for at konvertere koordinaterne for laserstråle på PSD sensor til de tilsvarende koordinater på skærmbilledet diffuserende.
Bemærk: Et eksempel på PSD kalibrering er afbildet i figur 5 for en række punkter taget langs midterlinjen af afsnittet test. Svar af sensoren, og dermed kalibrering koefficienter, er næsten identiske i alle retninger, når akser diffuserende skærmen og sensoren er justeret korrekt. Gitteret letter kalibreringsmetode, giver en let bestemmelse af laser skråning koordinater på skærmbilledet diffuserende.
- For hver retning passer brug lineær data at give kalibrering koefficienter for at konvertere koordinaterne for laserstråle på PSD sensor til de tilsvarende koordinater på skærmbilledet diffuserende.
- Placer et jævnt fordelt gitter, der er udskrevet på en gennemsigtig plade på skærmbilledet diffuserende og orientere det så at dens akser, x og y, er justeret med ned og på tværs af vindretninger, henholdsvis (figur 4).
- Kontrollere udførelsen af LSG efter hver forskydning af sensor forsamling.
Figur 4. Gitteret diffuserende skærmen. Gitteret letter lede laserstråle til de ønskede placeringer på skærmbilledet diffuserende bekvemt og præcist, enten ved hjælp af et sæt af prismer eller flytte laser under diffuserende skærmen i langs-vind og sidevind retninger Klik venligst her for at Se en større version af dette tal.
Figur 5. PSD kalibreringskurven. Figuren viser, at oversættelsen af PSD output spændinger til koordinater giver tilstrækkelige resultater. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
3. forsøgsmetoden og dataopsamling
Bemærk: Se tillægs figur 1 for brugergrænsefladen anvendes i følgende trin.
- Indstil blæser frekvens ved hjælp af en specialbygget program brugergrænseflade.
Bemærk: Næsten trinvis forøgelse af vind hastighed over i første omgang uforstyrret vandoverfladen blev anvendt, efterfulgt af en konstant luftstrøm sats for en foreskrevne varighed (120 s), og en næsten impulsiv lukke ned af blæseren. - Bestemme antallet af forskellige steady vind strømningshastigheder og krævede blæser indstillinger.
- Justere indstillingerne tryk transducer på det forventede antal dynamiske trykvariationer opdaget af Pitot røret.
- Sørg for, at i begyndelsen af hver erkendelse, der er ingen vind og vandoverfladen er uforstyrret (spejl glat). Start dataopsamling synkront med drift af blæseren.
- Optage den øjeblikkelige overflade elevation, overflade skråning komponenter i langs- og sidevind retninger, Pitot rør output overvågning betyder Vind hastighed U, og spænding variationen fra blæser-controller på den foreskrevne prøveudtagning sats () 300 Hz/kanal blev brugt).
Bemærk: Spænding fra wave-gauge erhvervet af programmet konverteres automatisk til overflade elevation af kalibrering koefficienter fra fit præsenteret i figur 3. - Fortsætte prøveudtagning for tilstrækkelig tid til at registrere feltet rådnende bølge efter lukning af blæseren.
- Efter afslutning af prøveudtagning, Sørg for, at den automatiske eksperimentelle procedure giver mulighed for tilstrækkelig tid (afhængigt af systemet) for at bringe vandoverfladen til uforstyrret tilstand forud for indledningen af det næste løb.
- Gemme alle de registrerede data for efterfølgende behandling.
- Udføre den foreskrevne antal erkendelser (normalt 100 uafhængige løber blev fundet tilstrækkelige).
- Beregne parametrene ensemble-gennemsnit af den registrerede data som en funktion af tiden gået siden indledningen af blæseren.
- Gentag hele proceduren for den næste fastsættelse af blæseren svarende til den valgte destination Vind hastighed i afsnittet test.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De repræsentative gennemsnit af ensemble resultater er afbildet i figur 6, figur 7og figur 8. Variation af RMS-værdier øjeblikkelig overflade elevation <η2>1/2 der kendetegner amplitude af tilfældig vind bølger som præsenteret i figur 6 som funktion af tiden gået siden indledning af blæseren. Resultaterne præsenteres for 3 afstande fra wavemaker, x, og for tre mål vind hastigheder, U.
For faste fetch x, øge ligevægt kvasi steady state karakteristiske bølge amplituder med vinden velocity U; varighed skal dog til at nå de kvasi stabil værdi <η2>1/2 efter indledningen af blæseren ikke synes at stærkt afhængige U på enhver given x. Ligevægtsværdier af karakteristiske bølge amplituder for en konstant målværdien af vinden tvinger U øge med fetch. Bemærk også, at variation i antallet af ændring af <η2>1/2 kan identificeres i hver kurve afbildet i figur 6, tyder klart på, adskilte faser findes i vind-bølger vækst proces. Ensemble-gennemsnit RMS-værdier af de vindretningen og sidevind skråning komponenter, <ηx2>1/2 og <ηy2>1/ 2, er afbildet i figur 7 for to henter og to værdier for vind hastighed U.
Det fremgår tydeligt af en sammenligning af figur 6 og figur 7 , den karakteristiske tid skalaerne i variant af begge overflade skråning komponenter er især kortere end de tilsvarende skalaer af overflade elevation variation. <Ηx2>1/2 og <ηy2>1/2 næsten konstante værdier er i den samme størrelsesorden, selv om karakteristiske skråninger i sidevind retning er mindre end skråninger i langs-vindretningen. Disse resultater viser, at vind-bølger er kort-crested og tre-dimensionelle. De karakteristiske slope værdier i begge retninger under kvasi steady vind tvinger synes at være stort set uafhængig af fetch x, men øge med vinden velocity U. Et nærmere kig på den tidsmæssige variation af to skråning komponenter til faste x og U afslører, at den indledende stigning i <ηx2>1/2 er konsekvent og især hurtigere end <ηy2>1/2. Således, under meget tidlig fase af væksten i de indledende krusninger, der vises på roligt vandoverfladen med aktivering af vinden, de kan ses som cirka to-dimensionelle. Denne fase varer kun en brøkdel af et sekund; Det er imidlertid vigtigt at understrege, at den væsentlige tredimensionalitet af feltet bølge udvikler sig med en vis forsinkelse.
Funktionsmåden for feltet bølge efter lukning af blæseren er vist i figur 8. Bølgerne tilbage i tanken henfaldet, hurtigt, effektivt at forsvinde efter ca 1 min.
Figur 6. Tidsmæssige variation af RMS af den overflade elevation. Figuren viser, at tid skalaerne i variant af den karakteristiske bølgehøjde repræsenteret ved <η2>1/2 afhænger af målet Vind hastighed U fetch x. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. Variation med tiden af RMS af vindretningen/cross-vind overflade skråning komponenter. Ensemble-gennemsnit RMS-værdier af de vindretningen og sidevind skråning komponenter, <ηx2>1/2 og <ηy2>1/2, er afbildet her. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Henfald af vind-bølge indgivet efter lukning af blæseren. Ensemble-gennemsnit RMS-værdier af de vindretningen og sidevind skråning komponenter, <ηx2>1/2 og <ηy2>1/2, er afbildet i figur 7 for to henter og to værdier for vind hastighed U. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Tillægs figur 1: specialbyggede software brugergrænseflade til dataopsamling. Venligst klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den nuværende forsøgsplan sigter mod kvantitativ karakterisering af en bølge felt under usikker vind tvinger, der udvikler sig i tid og rum. Da vinden-bølger er hovedsagelig tilfældig og tre-dimensionelle, og dermed variere hurtigt i tid og rum, kan optegnelser af individuelle erkendelser af en voksende vind-bølge felt under tidsafhængig vind tvinger kun levere kvalitativt skøn over den for bølge parametre. For at nå målet om denne protokol og opnå statistisk pålidelige og fetch-tidsafhængig bølge egenskaber, tidsopløst ensemble gennemsnit af talrige eksperimentelle løber med en identisk mønster af vinden variation i tid har skal anvendes. Da ophobning af sådanne detaljerede og omfattende oplysninger for forskellige mål vind hastigheder og henter er meget tidskrævende, må forsøgsmetoden være automatiseret og tilstrækkeligt fleksible til, at nødvendige tilpasninger til forskellige Vind tvinger betingelser. Til bedste af vores viden var eksperimentelle fremgangsmà ¥ den i dette håndskrift, der er i stand til at give forskellige statistiske bølge felt parametre under variable vind tvinger tidsmæssige og rumlige opløsning stort set utilgængelige indtil nu.
Bemærk, at varigheden af eksperimenter kunne varetage vind-bølge målinger i et laboratorium bølge tank øges markant med størrelsen af anlægget. Dette er delvist fordi varigheden af bølge vækst fase stiger med fetch (Se figur 6). Bølgelængder og perioder også vokse med fetch17,21,23,24, således for akkumulere statistisk repræsentative data, varigheden af forsøget i hver løb har at blive længe i forhold til den tilsvarende dominerende bølge periode. Enkelte erkendelser på henter betydeligt længere end de ansatte i den nuværende undersøgelse har således at være længerevarende. Endnu mere vigtigt, de længste bølgelængder ophidset af vinden i enhver eksperimentelle facilitet er af den karakteristiske længde af tanken. De resterende bølger tilbage i tanken efter lukning af vinden i et større anlæg således kræve længere tid for deres forfald. Intervallet mellem de træk kører i en større vind-bølge tank skal vende tilbage til uforstyrret vandoverfladen skal derfor være betydeligt længere end de seks minutters interval ansat i vores eksperimenter.
Den generelle metode beskrevet ovenfor kan anvendes til en lang række stabil og ustabil vind tvinger betingelser. I dette manuskript, blev den tidsmæssige variation af vinden tvinger udvalgt med det mål at aktivering ophobning af en tilstrækkelige data til at studere usikker bølge felt under effektivt impulsiv vind tvinger og lukning og steady vind tvinger. Herpå var omhu for at sikre, at vandoverfladen var rolig og uforstyrret forud for indledningen af hver eksperimentelle run. I hver gentagelse, vinden var næsten impulsivt startet af blæseren, så luftstrømmen hastighed forblev konstant i tilstrækkelig lang tid (2 min i de nuværende eksperimenter), hvorefter blæseren blev lukket ned. Denne tilgang giver mulighed for at studere separat tidsligt skiftende vind-bølge felter vokser fra oprindeligt rolig vandoverfladen til kvasi stabil tilstand på den givne fetch og vind hastighed, så karakteristisk for bølger under steady vind tvinger, og endelig den henfald af bølger når vinden tvinger er pludselig lukket ned.
Varigheden af hver individuelle realisering i den foreliggende undersøgelse, der indeholder roligt ned periode således overstiger 8 min. Derfor akkumuleres eksperimenter i hvilke data der til 100 uafhængige kører på en enkelt hente og target Vind hastighed vare næsten 15 timer (herunder varigheden af den bølge gauge kalibrering procedure). Det er indlysende, for sådan en bestræbelse skal lykkes, er det bydende nødvendigt, at hele eksperimentelle proceduren kan udføres automatisk, dvs. helt uden menneskelig indgriben.
Dermed skal det understreges, at både den beskedne størrelse af vores anlæg og fuldt automatiseret måling og kalibrering procedurerne var afgørende for gennemførelsen af den vedtagne eksperimenterende tilgang. Mens forelægges detaljerede resultater på vind-bølge felt evolution under usikker tvang vil i fremtiden andre steder, det fremgår af figur 6, figur 7og figur 8 at tidligere tilgængelig information på fine detaljer i Vind-bølge evolution er akkumuleret i den foreliggende undersøgelse. Disse oplysninger bruges til at validere forskellige teoretiske modeller, der beskæftiger sig med excitation af bølger af vind1,2,3,4,5,24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Israel Science Foundation, grant # 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 |
References
- Sir William Thomson, F. R. S. Hydrokinetic solutions and observations. Philosophical Magazine. 42, 362-377 (1871).
- Jeffreys, H. On the formation of water waves by wind. Proc. Roy. Soc. London Ser. A. 107, 189-206 (1925).
- Miles, J. W. On the generation of surface waves by shear flows. J. Fluid Mech. 3 (2), 185-204 (1957).
- Phillips, O. M. On the generation of waves by turbulent wind. J. Fluid Mech. 2 (5), 417-445 (1957).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. Frequency-wavenumber spectrum of wind-generated gravity-capillary waves. J. Geoph. Res. 102, 1061-1072 (1997).
- Caulliez, G., Guérin, C. -A. Higher-order statistical analysis of short wind wave fields. J. Geophys. Res. 117, C06002 (2012).
- Mitsuyasu, H., Rikiishi, K. The growth of duration-limited wind waves. J. Fluid Mech. 85, 705-730 (1978).
- 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).
- Waseda, T., Toba, Y., Tulin, M. P. Adjustment of wind waves to sudden changes of wind speed. J. Oceanography. 57, 519-533 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liberzon, D., Shemer, L. Experimental study of the initial stages of wind waves' spatial evolution. J. Fluid Mech. 681, 462-498 (2011).
- Miles, J. W. On generation of surface waves by shear flows. Part 2. J. Fluid Mech. 6 (4), 568-582 (1959).
- Plant, W. J. A relationship between wind stress and wave slope. J. Geophys. Res. 87, 1961-1967 (1982).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Characterization of turbulent air flow over evolving water-waves in a wind-wave tank. J. Geophys. Res. 117, C00J19 (2012).
- 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).
- 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).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Investigation of statistical parameters of the evolving wind wave field using Laser Slope Gauge. Phys. Fluids. 29 (5), (2017).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Water waves excited by near-impulsive wind forcing. J. Fluid Mech. , (2017).
