Waiting
Login processing...

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

Engineering

Metingen van golven in de Tank van een Wind-Golf onder gestage en tijd tegenover wisselende Wind dwingen

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

Summary

Dit manuscript wordt een volledig computergestuurde procedure waarmee het verkrijgen van betrouwbare statistische parameters uit experimenten van water golven opgewekt door gestage en onvast wind dwingen in een kleinschalige faciliteit beschreven.

Abstract

Dit manuscript beschrijft een experimentele procedure waarmee diverse kwantitatieve informatie over temporele en ruimtelijke ontwikkelingen van water golven opgewekt door tijdafhankelijke en constante wind dwingen verkrijgen. Capaciteit-type Golf gauge en Laser-helling meten (LSG) worden gebruikt voor het meten van de momentane water oppervlakte hoogte en twee componenten van de ogenblikkelijke oppervlakte helling op een aantal locaties langs de test deel van een wind-Golf-faciliteit. De computergestuurde blazer biedt luchtstroom over het water in de tank waarvan tarief in de tijd variëren kan. In de huidige experimenten stijgt de windsnelheid in het gedeelte test aanvankelijk snel van rest tot de ingestelde waarde. Het is vervolgens constant gehouden voor de voorgeschreven duur; tot slot, de luchtstroom wordt afgesloten. Aan het begin van elke experimentele run, het wateroppervlak is kalm en windstil is. Werking van de blazer wordt geïnitieerd gelijktijdig met de overname van gegevens van alle sensoren door een computer; data-acquisitie wordt voortgezet totdat de golven in de tank volledig verval. Meerdere onafhankelijke runs uitgevoerd onder identieke dwingen omstandigheden laten bepalen van statistisch betrouwbare ensemble-gemiddeld karakteristieke parameters die kwantitatief wind-golven variatie op tijd voor de eerste ontwikkelingsfase als beschrijven een functie van halen. De procedure kan ook die de ruimtelijke ontwikkeling van de Golf-veld onder constante wind dwingen, evenals verval van golven in de tijd, zodra de wind wordt afgesloten, als een functie van fetch kenmerkten.

Introduction

Sinds de oudheid, is het al bekend dat golven op water oppervlakken zijn opgewonden door de wind. De huidige kennis van de fysische mechanismen die regelen van dit proces is verre van bevredigend. Talrijke theorieën proberen te beschrijven van wind-Golf generatie werden voorgesteld over het jaar1,2,3,4, maar hun betrouwbare experimentele validatie nog niet beschikbaar is. Metingen van willekeurige wind-golven in de Oceaan zijn zeer uitdagend vanwege de onvoorspelbare wind die snel in richting zo goed zoals in grootte kan variëren. Laboratoriumexperimenten hebben het voordeel van controleerbare voorwaarden waarmee langdurige en herhaalbare meting.

Onder constante wind dwingen in de testomgeving, evolueren wind-golven in de ruimte. Eerste laboratoriumexperimenten op golven onder constante dwingt waren uitgevoerd decennia geleden beperkt tot de momentane oppervlakte hoogte metingen5,6,7,8. Meer recente studies ook tewerkgesteld verschillende optische technieken voor het meten van de momentane water oppervlakte Knikhoek, zoals LSG9,10. Deze metingen mogen krijgen een aantal kwalitatieve informatie over de driedimensionale structuur van wind-Golf velden beperkt. Wanneer de wind dwingen is instabiel, aangezien er in veld experimenten, is extra complexiteit ingevoerd voor het probleem van water golven excitatie door wind, omdat de statistische parameters van het resulterende veld Golf niet alleen in ruimte maar ook tijdig verschillen. De pogingen tot nu toe voor het beschrijven van evolutie golfpatronen kwalitatief en kwantitatief onder tijdafhankelijke dwingen waren slechts gedeeltelijk succesvol11,12,13,14 , 15 , 16. de relatieve bijdrage van verschillende aannemelijke fysische mechanismen die tot excitatie leiden kunnen en groei van golven ten gevolge van acties van de wind is nog grotendeels onbekend.

Onze experimentele faciliteit werd ontworpen met het doel de accumulatie van nauwkeurige en diverse statistische informatie over de variatie van wind-Golf veld kenmerken onder beide constante of wankele wind dwingen inschakelen. Twee belangrijke factoren vergemakkelijkt deze gedetailleerde studies uitvoeren. Ten eerste, de bescheiden omvang van de resultaten van de faciliteit in relatief korte karakteristiek evolutie schalen in tijd en ruimte. Ten tweede, het hele experiment is volledig beheerd door een computer, waardoor de prestaties van experimentele draait onder verschillende experimentele omstandigheden automatisch en vrijwel zonder menselijke tussenkomst. Deze kenmerken van de experimentele opstelling zijn van cruciaal belang bij het uitvoeren van experimenten op golven opgewonden van rest door impulsief wind.

Ruimtelijke groei van wind-golven onder constante dwingt is onderzocht in onze faciliteit voor een scala van wind snelheden17. Resultaten werden vergeleken met groei tarief schattingen gebaseerd op de theorie van de18 Miles zoals gepresenteerd door Plant19. De vergelijking toonde aan dat de experimentele resultaten met name van de theoretische voorspellingen verschillen. Extra parameters die belangrijk zijn ook verkregen in17, zoals de daling van de gemiddelde druk in de sectie test, alsmede de absolute waarden en de fasen van karakteristieke statische druk schommelingen. De afschuifweerstand op het raakvlak van de lucht-water is essentieel voor de karakterisering van impuls en energie-overdracht tussen wind en golven17,19. Daarom gedetailleerde metingen van de logaritmische grenslaag en de turbulente schommelingen in de luchtstroom boven water golven werden uitgevoerd op talrijke Fetcht en wind snelheden20. De waarden van de wrijving snelheid u* op het grensvlak van de lucht-water bepaald in deze studie werden gebruikt om het verkrijgen van de dimensieloze statistische parameters van de wind-golven gemeten in onze faciliteit21. Deze waarden werden vergeleken met de corresponderende dimensieloze parameters verkregen in grotere experimentele installaties en veld experimenten. Het bleek eerder21 dat met de juiste schaal, de belangrijke kenmerken van het veld van de wind-Golf verkregen in onze kleinschalige faciliteit niet van elkaar aanzienlijk van de overeenkomstige gegevens verschillen verzameld in grotere laboratorium installaties en metingen van de open zee. Deze parameters omvatten ruimtelijke groei van de representatieve golfhoogte en golflengte, de vorm van het frequentiespectrum van de oppervlakte hoogte, evenals de waarden van hoger statistische momenten.

De latere studies uitgevoerd in onze faciliteit22,23 bleek dat wind, golven in wezen willekeurige en drie-dimensionale. Om een beter inzicht in de 3D structuur van wind, golven, werd een poging gedaan metingen uit te voeren kwantitatieve tijdafhankelijke water oppervlakte hoogte over een uitgebreid gebied met behulp van stereo video imaging22. Als gevolg van onvoldoende computer stroom beschikbaar op de huidige en verwerking algoritmen die nog niet afdoende, deze pogingen bleken te zijn slechts gedeeltelijk succesvol. Echter bleek het gecombineerd gebruik van een conventionele elektrische capaciteit-type Golf meten en de LSG bevat waardevolle informatie over de ruimtelijke structuur van golven van de wind. Gelijktijdige toepassing van beide instrumenten kan onafhankelijke metingen met hoge temporele resolutie van de momentane oppervlakte hoogte en van de twee componenten van de ogenblikkelijke oppervlakte helling23. Deze metingen laten inschatting van zowel de dominante frequentie en dominante golflengte van de golven, evenals het verstrekken van inzicht in de structuur van de Golf in de richting loodrecht op de wind. Een Pitotbuis, die verticaal kan worden verplaatst door een computergestuurde motor, vormt een aanvulling op de set van sensoren en wordt gebruikt voor metingen van windsnelheid.

Al die onderzoeken maakte duidelijk dat willekeur en driedimensionaliteit van wind, golven resulteren in aanzienlijke variabiliteit van de gemeten parameters zelfs voor steady wind dwingen en één meting locatie. Dus, langdurige metingen met een duur die in overeenstemming is met de karakteristieke tijd schalen van het veld gemeten Golf zijn nodig om voldoende gegevens voor het extraheren van betrouwbare statistische hoeveelheden verzamelen. Waardevolle fysieke om inzicht te krijgen in de mechanismen inzake ruimtelijke variatie van het Golf-gebied, is het noodzakelijk om uit te voeren metingen op talrijke locaties en voor zoveel waarden van het debiet van de wind in het gedeelte test mogelijk. Om dit te bereiken, is het dus zeer wenselijk een geautomatiseerde experimentele procedure toe te passen.

Experimenten op golven opgewekt door wankele wind dwingen introduceren een extra niveau van complexiteit. In dergelijke studies is het noodzakelijk de momentane gemeten parameters op de momentane niveau van de windsnelheid. Overwegen experimenten op golven opgewonden van rest doordat een bijna impulsief wind als een belangrijk voorbeeld. In dit geval komen talloze onafhankelijke metingen van het veld van de wind-Golf evolueert onder invloed van de wind die varieert in de tijd na de dezelfde voorgeschreven patroon24. Zinvolle statistische parameters, uitgedrukt als functie van de tijd is verstreken sinds de opening van de luchtstroom, worden vervolgens berekend door het gemiddelde van de gegevens uit de geaccumuleerde ensemble van onafhankelijke realisaties. Deze verbintenis kan inhouden dat tientallen en honderden uren van continue bemonstering. De totale duur van experimentele sessies nodig om een dergelijke ambitieuze taak te volbrengen maakt de hele aanpak onhaalbaar, tenzij het experiment is volledig geautomatiseerd. Geen dergelijke volledig geautomatiseerde experimentele procedure in wind-golf faciliteiten heeft ontwikkeld tot voor kort. Dat is een van de belangrijkste redenen voor het gebrek aan betrouwbare statistische gegevens over wind golven onder het wankele dwingen.

Aangezien de inrichting gebruikt voor het experiment is niet opgebouwd uit verkrijgbare, off-the-shelf hardware, een korte beschrijving van de belangrijkste onderdelen vindt u hier.

Figure 1
Figuur 1. (Niet op schaal) Schematische weergave van de experimentele faciliteit. 1 - blower; 2 - instroom afwikkeling kamer; 3 - uitstroom regelen kamer; 4 - demper vakken; 5 - afdeling test; met een 6 - strand; 7 - warmtewisselaar; 8 - honingraat; 9 - mondstuk; 10 - studio wavemaker; 11 - klep; 12 - instrument vervoer; 13 - Golf gauge gedreven door een stappenmotor; 14 - Pitotbuis gedreven door een stappenmotor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De experimentele faciliteit bestaat uit een gesloten lus windtunnel gemonteerd over een tank van de Golf (een schematische weergave is weergegeven in Figuur 1). Het gedeelte van de test is 5 m lang, 0.4 m breed en 0,5 m diep. De zijwanden en vloer zijn gemaakt van 6 mm dik glasplaten en een frame gemaakt van aluminium profielen worden omsloten. Een 40-cm lange klep biedt een vloeiende uitbreiding van de dwarsdoorsnede van de luchtstroom van het mondstuk aan het wateroppervlak. Golfenergie absorberen strand gemaakt van poreus verpakkingsmateriaal is gelegen aan het eind van de tank. Een computergestuurde blower kunt bereiken van gemiddelde stroom de luchtsnelheid in de sectie test tot 15 m/s.

De op maat gemaakte elektrische capaciteit-type 100 mm-lange golf gauge is gemaakt van geanodiseerd tantalium. 0.3 mm draad is gemonteerd op een verticale fase aangedreven door een motor van de PC-gecontroleerde stap ontworpen voor Golf gauge kalibratie. Een Pitot buis met een diameter van 3 mm wordt gebruikt voor het meten van de dynamische druk in de centrale luchtstroom onderdeel van de test.

De LSG, meten van de momentane 2D water oppervlakte helling, is geïnstalleerd op een frame losgekoppeld van de test-sectie die kan worden geplaatst op elke willekeurige locatie langs de tank (Figuur 2). LSG bestaat uit vier hoofdonderdelen: een laserdiode, een Fresnel-lens, een diffusive scherm en een positie Sensing Detector (PSD)-vergadering. De laserdiode genereert een 650 nm (rood), 200 mW focusseerbare laserstraal met diameter van ongeveer 0,5 mm. De 26.4 cm diameter Fresnel lens met een brandpuntsafstand van 22.86 cm regisseert de binnenkomende laserstraal naar de 25 x 25 cm2 diffusive scherm, gelegen in het terug brandvlak van de lens.

Figure 2
Figuur 2. Schematische weergave van de Laser helling Gauge (LSG). 1 - laserdiode; 2 - Fresnel lens; 3 - diffusive scherm; 4 - positie Sensor Detector (PSD). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Dit protocol beschrijft de procedure waarmee het uitvoeren van experimenten waarin talrijke parameters karakteriseren van wankele golven gelijktijdig onder tijdafhankelijke wind dwingen zijn gemeten. De procedure kan worden aangepast aan elke gewenste afhankelijkheid van windsnelheid op tijd dat kan worden bereikt met het oog op de technische beperkingen van de experimentele faciliteit. Dit protocol beschrijft specifiek experimenten waarbij in elke realisatie, begint de wind bijna impulsief over aanvankelijk kalm water. De constante wind dwingt vervolgens duurt lang genoeg daarvoor haalt het wind-Golf veld overal in het gedeelte test quasi stabiel staat. De wind is uiteindelijk sluit neer, weer bijna impulsief. In alle stadia, worden meerdere Golf parameters opgenomen. De procedure waarmee de berekening van de talrijke statistisch representatieve ensemble-gemiddeld hoeveelheden karakteriseren de ogenblikkelijke lokale wind-Golf-veld is roman, en werd ontwikkeld in de loop van recente experimenten uitgevoerd in onze faciliteit 22 , 23 , 24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. hulpprogramma voor systeemvoorbereiding

  1. De tank vullen met leidingwater tot een diepte van ongeveer 20 cm om te voldoen aan de voorwaarde van het diepzee; Reinig het wateroppervlak van elke verontreinigende stoffen die invloed kunnen hebben op de oppervlaktespanning.
  2. Plaats het instrument vervoer op de gewenste fetch.
    1. Mount de Pitotbuis en plaats deze in het midden van het deel van de luchtstroom van de test-sectie.
    2. Monteer de Golf meter op een computergestuurde verticale podium om zijn statische kalibratie.
  3. Standpunt van de LSG-vergadering op de gewenste fetch en de zijdelingse afstand van ongeveer 7 cm van de Golf-gauge te elimineren van de interferentie van de Golf gauge vergadering met de optische weglengte.
    Opmerking: Het gebruik van een ondoorzichtig gordijn wordt aanbevolen om te voorkomen dat de blootstelling van de PSD aan het omgevingslicht, evenals het milieu te beschermen tegen valse reflectie van de laserstraal.
    1. De laser onder het waterreservoir zo geplaatst dat de lichtbundel is gericht verticaal uitlijnen en richten van de straal.
    2. Standpunt de fresnel lens binnen de test sectie zo hoog mogelijk boven het wateroppervlak te minimaliseren van de lens van verstoring van de luchtstroom.
    3. Zorg ervoor dat de bolle laserstraal de lens in het centrale deel onder de windvoorwaarden van de extreme in de experimentele sessie gepland raakt.
    4. Het diffusive scherm precies op het brandvlak van de lens mount, controleer dan de horizontale en verticale uitlijning van zowel de lens en het scherm.
    5. Zorg ervoor dat elke twee parallelle verticale laserstralen sloeg het diffusive scherm precies in het midden toen het wateroppervlak nog steeds is.
      Opmerking: Dit kan worden getest met behulp van twee identieke lasers op enige afstand van elkaar geplaatst.
    6. Plaats de PSD ervoor te zorgen dat het hele gebied van het diffusive scherm binnen het effectieve deel van de detector is. Uitvoeren van de PSD-lens gericht door de instellingen van de lens aan de werkelijke afstand tussen de lens en het scherm te passen.

2. kalibratie en de werking van de sensoren

  1. Kalibratie van de meter van de Golf
    1. Golf gauge kalibratie voor elke meting locatie en elke maximale windsnelheid verwacht in de experimentele run uitvoeren.
      1. De verticale positie van de sensor zo ingesteld dat de gemiddelde waterstand ongeveer in het midden van de lengte van de sensing draden.
      2. De ventilatorsnelheid ingesteld op de gewenste waarde, en laat de wind te blazen gestaag voor een voldoende lange tijd (2-3 min).
      3. Met behulp van een oscilloscoop, gevoeligheid, winst en offset van de meter van de Golf met behulp van de eenheid van de conditioner om ervoor te zorgen dat de spanningswaarden overeenkomt met de hoogste kuif en de laagste trog verwacht op het Golf-gebied binnen het bereik van de A/D handmatig aanpassen Converter (+/-10 V).
      4. De blazer stilgelegd gedurende enkele minuten, totdat het wateroppervlak volledig ongestoord wordt.
      5. Controleer of de verzonken lengte is binnen de verwachte maximale crest en trog waarden door het bewegen van de Golf meten verticaal.
      6. Uitvoeren van automatische kalibratie van de meter van de Golf met behulp van een op maat gemaakte routine in stilstaand water dompelen de meter op een aantal opgegeven diepten en het vastleggen van de output van de gemiddelde spanning tijdens 5 s voor elke diepte.
      7. Past een kwadratische kalibratie polynomiale tot de opgenomen gegevens te verkrijgen van de afhankelijkheid van de H(V), waar H de indompeldiepte is (overeenkomend met de momentane oppervlakte hoogte), als een functie van de uitgangsspanning van de spoorbreedte V.
      8. Visueel controleren op kwaliteit van de ingerichte kalibratie polynomiale (Figuur 3).

Figure 3
Figuur 3. De kalibratiekromme van het Golf-gauge. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Kalibratie en aanpassing van LSG
    1. Controleer of de prestaties van de LSG na elke verplaatsing van de vergadering van de sensor.
      1. Met behulp van een optische wig prisma geplaatst op een horizontale glasplaat, wijken de laserstraal ten opzichte van de optische as een bekende water oppervlakte helling te simuleren.
      2. Monster de PSD uitgangen van de afwijkende laserstraal plek op de diffusive scherm met behulp van een oscilloscoop of een op maat gemaakte data acquisitie programma.
      3. Berekenen van de stralingshoek doorbuiging en de helling van de gemeten coördinaat laser beam plek coördinaat; Vergelijk het resultaat met de bekende wig hoek.
      4. Herhaal de procedure voor de verschillende invalshoeken van de doorbuiging met behulp van een of meer prisma's.
        Opmerking: Wig prisma's met doorbuiging hoeken variërend van 2,5 ° tot 17.5° werden gebruikt; Als de test als gevolg van de afwijking van de PSD met het diffusive scherm mislukt, de PSD handmatig aanpassen, om te corrigeren voor de afwijking. Deze procedure wordt uitgevoerd handmatig met behulp van een 2D horizontale vertaling etappe en een niveau en is zeer tijdrovend.
    2. Controle van de lineariteit van PSD en kalibratie procedure
      1. Plaats een gelijk verdeelde raster dat is afgedrukt op een transparante sheet op het diffusive scherm en het oriënteren zodat haar assen, x en y, zijn uitgelijnd met de down en cross windrichtingen, respectievelijk (Figuur 4).
        Opmerking: Het raster bevordert regisseren van de laserstraal naar de gewenste locaties op het diffusive scherm gemakkelijk en nauwkeurig met behulp van een set van prisma's of de laser onder het diffusive scherm in langs-wind- en zijwind richtingen te bewegen.
      2. Met behulp van de set van prisma's, afbuigen de verticale laserstraal voor meerdere radiale posities van de laserstraal plek op het diffusive scherm terwijl het handhaven van een constante azimutale hoek.
        Opmerking: De resolutie van 1 cm en maximale straal van 7 cm wordt gebruikt voor elk van de 9 azimutale hoeken.
      3. Verplaatsen van de laser spot naar meerdere posities in de x-richting, terwijl y coördineren constant, dan veranderen de richting van de beweging naar yen x constant te houden.
        Opmerking: Bereik en resolutie gebruikt zijn vergelijkbaar met die in de voorgaande sectie.
      4. Ongeveer 50 punten verzamelen op de grid in iedere kalibratie.
        Opmerking: De laser beam plek coördinaten zijn verworven door PSD en geëvalueerd aan de hand van een standaard tweekanaals oscilloscoop verbonden met de PSD.
        1. Voor elke richting passen gebruik lineaire van de gegevens aan de opbrengst van de coëfficiënten van de kalibratie om de coördinaten van de laserstraal op de sensor van de PSD converteren naar de bijbehorende coördinaten op het diffusive scherm.
          Opmerking: Een voorbeeld van de PSD-kalibratie wordt getekend in figuur 5 voor een verzameling van punten meegenomen van de middellijn van de test afdeling. De reactie van de sensor, en dus de kalibratie coëfficiënten, is bijna identiek in alle richtingen als de assen van het diffusive scherm- en de sensor, naar behoren worden uitgelijnd. Het raster vergemakkelijkt de kalibratieprocedure, waardoor een eenvoudige bepaling van de coördinaten van de helling laser op het diffusive scherm.

Figure 4
Figuur 4. Het raster scherm diffusive. Het raster bevordert regisseren van de laserstraal naar de gewenste locaties op het diffusive scherm handig en nauwkeurig, met behulp van een set van prisma's of verplaatsen van de laser onder het diffusive scherm in langs-wind en zijwind richtingen Klik hier om in te Bekijk een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5. PSD kalibratiekromme. De figuur toont aan dat de vertaling van de PSD uitgang spanningen naar coördinaten voldoende resultaten oplevert. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

3. de experimentele Procedure en Data-acquisitie

Opmerking: Zie aanvullende figuur-1 voor de gebruikersinterface in de volgende stappen gebruikt.

  1. Met behulp van de gebruikersinterface van een custom-built programma blower-mailfrequentie instellen.
    Opmerking: Bijna stapsgewijze verhoging van de windsnelheid over aanvankelijk ongestoord wateroppervlak werd toegepast, gevolgd door een constante luchtstroom tarief voor een voorgeschreven duur (120 s), en een bijna impulsief afgesloten van de blazer.
  2. Het bepalen van het aantal verschillende constante wind debiet en de vereiste blower-instellingen.
  3. Pas de instellingen van de transducer druk aan het verwachte bereik van dynamische drukvariaties gedetecteerd door de Pitotbuis.
  4. Ervoor te zorgen dat aan het begin van elke realisatie, er is geen wind en het wateroppervlak is ongestoord (spiegel glad). Begin data-acquisitie synchroon met de werking van de blazer.
  5. Opnemen van de momentane oppervlakte hoogte, oppervlakte helling componenten in langs- en zijwind richtingen, de Pitot buis uitvoer controle van de gemiddelde windsnelheid U, en de variatie van de spanning van de controller van de ventilator op de voorgeschreven bemonstering stem () 300 Hz/kanaal werden gebruikt).
    Opmerking: De spanning van Golf-gauge verworven door het programma wordt automatisch geconverteerd naar oppervlakte hoogte met behulp van de coëfficiënten van de kalibratie van de pasvorm gepresenteerd in Figuur 3.
  6. Bemonstering voor voldoende tijd om te registreren het rottende Golf-veld na het afsluiten van de blazer blijven.
  7. Na voltooiing van de bemonstering, door ervoor te zorgen dat de automatische experimentele procedure voorziet in voldoende tijd (afhankelijk van het systeem) om het wateroppervlak naar ongestoord voorwaarde voorafgaand aan de opening van de volgende run.
  8. Sla alle opgenomen gegevens voor verdere verwerking.
  9. Het voorgeschreven aantal realisaties (meestal 100 onafhankelijke punten bleken voldoende) uitvoeren.
  10. Bereken de ensemble-gemiddeld parameters van de opgenomen gegevens als een functie van de tijd is verstreken sinds de opening van de blazer.
  11. Herhaal de hele procedure voor de volgende instelling van de blazer die overeenkomt met het geselecteerde doel windsnelheid in het gedeelte van de test.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De representatieve ensemble-gemiddeld-resultaten worden weergegeven in Figuur 6, Figuur 7en Figuur 8. De variatie van de RMS-waarden van de momentane oppervlakte hoogte <η2>1/2 , dat de amplitude van de golven van de willekeurige wind kenmerkt als aangegeven in Figuur 6 als functie van de tijd is verstreken sinds opening van de blazer. Resultaten worden gepresenteerd voor de 3 afstanden van de Studio wavemaker, x, en drie doelstelling wind snelheden, U.

Voor de vaste fetch x, het evenwicht quasi-constante staat karakteristieke golf amplitudes worden verhoogd met de windsnelheid U; echter de duur die nodig is voor de verwezenlijking van de quasi constante waarde van <η2>1/2 na opening van de blazer niet lijkt te zijn sterk afhankelijk van U op een bepaalde x. De waarden van het evenwicht van de amplitudes van de karakteristieke golf voor een constante streefwaarde van de wind dwingt U verhogen met fetch. Merk ook op dat de variatie in de mate van verandering van <η2>1/2 identificeerbare in elke curve getekend in Figuur 6duidelijk suggereren dat verschillende fasen bestaan in de wind-golven groei is proces. De ensemble-gemiddeld RMS waarden van het programma zijwind helling onderdelen,2 1/<ηx2> en <ηy2>1/ 2, worden weergegeven in Figuur 7 voor twee Fetcht en twee waarden van de windsnelheid U.

Het blijkt uit de vergelijking van Figuur 6 en Figuur 7 dat de karakteristieke tijd schalen van variatie van zowel oppervlakte helling componenten met name korter is dan de overeenkomstige schalen van de oppervlakte hoogte variatie zijn. De quasi-constante waarden van2 1/<ηx2> en <ηy2>1/2 zijn van dezelfde orde van grootte, hoewel het kenmerk hellingen in de richting van zijwind zijn kleiner dan de hellingen in de richting van langs-wind. Deze resultaten wijzen erop dat wind-golven korte-crested en drie-dimensionale zijn. De waarden van de karakteristieke helling in beide richtingen onder de quasi-constante wind dwingen lijken te worden in wezen onafhankelijk van fetch x, maar toenemen met de windsnelheid U. Een kijkje op de temporele variatie van de helling van de twee componenten voor vaste x en U blijkt dat de initiële toename van de <ηx2>1/2 consequent is en met name sneller dan die van <ηy2>1/2. Dus, in de zeer vroege fase van de groei van de eerste rimpels die worden weergegeven op het rustige water met de activatie der wind, zij kunnen worden gezien als ongeveer twee-dimensionale. Deze fase duurt slechts een fractie van een seconde; het is echter belangrijk te benadrukken dat de essentiële driedimensionaliteit van het Golf-gebied met een bepaalde vertraging ontwikkelt.

Het gedrag van de Golf-veld na het afsluiten van de blazer is getoond in Figuur 8. De golven in de tank resterende vervallen snel, effectief verdwijnen na ongeveer 1 minuut.

Figure 6
Figuur 6. Temporele variatie van de RMS van de oppervlakte hoogte. De figuur toont aan dat de tijdschema's van de variatie van de karakteristieke golfhoogte vertegenwoordigd door <η2>1/2 zijn afhankelijk van de doelstelling windsnelheid U en de fetch x. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7. Variatie in tijd van de RMS van de onderdelen van het programma/Kruis-wind oppervlakte helling. De ensemble-gemiddeld RMS waarden van het programma zijwind helling onderdelen,2 1/<ηx2> en <ηy2>1/2, Hier worden uitgezet. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8. Verval van de wind-Golf geplaatst na het afsluiten van de blazer. Het ensemble-gemiddeld RMS waarden van het programma en de zijwind helling onderdelen,2 1/<ηx2> en <ηy2>1/2, getekend in Figuur 7 voor twee Fetcht en twee waarden van de windsnelheid U. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Aanvullende figuur 1: op maat gemaakte software-gebruikersinterface voor data-acquisitie. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De huidige experimentele protocol is gericht op kwantitatieve karakterisering van een golf-veld onder het wankele wind dwingen die in tijd en ruimte evolueert. Aangezien wind-golven in wezen willekeurige en drie-dimensionale zijn, en dus snel in tijd en ruimte variëren, records van individuele realisaties van een groeiende wind-Golf-veld onder tijdafhankelijke wind dwingen kunnen alleen het bieden van kwalitatieve ramingen van de Raad van bestuur Golf de parameters. Voor het bereiken van het doel van dit protocol en verkrijgen van statistisch betrouwbare en fetch-tijdafhankelijke Golf kenmerken, tijd-opgelost ensemble gemiddeld van talrijke experimentele loopt met een identieke patroon van wind variatie in tijd moet worden toegepast. Aangezien de accumulatie van dergelijke gedetailleerde en uitgebreide informatie voor verschillende doelgroepen wind snelheden en Fetcht is zeer tijdrovend, moet de experimentele procedure worden geautomatiseerd en voldoende flexibel zijn om de nodige aanpassingen voor verschillende toestaan wind omstandigheden dwingen. Tot de beste van onze kennis, de experimentele procedure die wordt beschreven in dit manuscript staat om diverse statistische Golf veldparameters onder variabele wind dwingen met temporele en ruimtelijke resolutie thats grotendeels nog niet beschikbaar was tot nu toe.

Merk op dat de duur van de experimenten moeten wind-Golf metingen in een laboratorium Golf verrichten tank aanzienlijk met de grootte van de faciliteit verhoogt. Dit is gedeeltelijk omdat de duur van de Golf groei fase met fetch stijgt (Zie Figuur 6). De golflengten en periodes ook groeien met fetch17,21,23,24, dus voor accumulatie statistisch representatieve gegevens, de duur van het experiment in elk run heeft lang worden vergeleken met de overeenstemmende Golfperiode van het dominante. Individuele realisaties op Fetcht aanzienlijk langer dan degenen die werkzaam zijn in de huidige studie hebben dus als langere. Nog belangrijker is, zijn de langste golflengten opgewekt door de wind in een experimentele faciliteit in de orde van de karakteristieke lengte van de tank. De resterende golven in de tank blijft na het afsluiten van de wind in een grotere faciliteit dus vereist langere tijden voor hun verval. Het interval tussen de opeenvolgende runs in een grotere wind-Golf-tank, nodig om terug te keren naar ongestoord wateroppervlak moet daarom aanzienlijk langer dan het interval van de zes minuten werkzaam in onze experimenten.

De algemene aanpak die hierboven beschreven kan worden toegepast voor een verscheidenheid van gestage en onvast wind omstandigheden dwingen. In dit manuscript, werd de temporele variatie wind dwingen geselecteerd met het doel de accumulatie van een voldoende hoeveelheid gegevens in staat te stellen om te studeren wankele Golf gebied onder effectief impulsief wind dwingen en afsluiten, en onder constante wind dwingen. Te dien einde is zorg genomen om ervoor te zorgen dat het wateroppervlak rustig en ongestoord voorafgaand aan de opening van elke experimentele run was. In elke iteratie, de wind was bijna impulsief gestart door de blazer, waarna het tarief van luchtstroom constant gebleven voor een voldoende lange tijd (2 min in de huidige experimenten), waarna de blazer werd stilgelegd. Deze aanpak maakt het mogelijk afzonderlijk stoffelijk evoluerende wind-Golf velden groeien uit de aanvankelijk kalm wateroppervlak aan de quasi-constante staat bij de gegeven snelheid haal en wind, dan is het kenmerk van golven onder constante wind dwingen, studeren en ten slotte de verval van golven zodra wind dwingen wordt abrupt afgesloten.

De duur van elke individuele realisatie in de huidige studie waarin de rust periode dus langer is dan 8 min. Daarom, experimenten waarin gegevens worden verzameld voor 100 onafhankelijke op een enkele halen loopt en doel windsnelheid duren bijna 15 uur (met inbegrip van de duur van de Golf gauge kalibratieprocedure). Het is duidelijk dat om dergelijke een streven om succesvol te zijn, is het noodzakelijk dat de gehele experimentele procedure kan worden uitgevoerd automatisch, dat wil zeggen volledig zonder menselijke tussenkomst.

Aldus dient te worden benadrukt dat zowel de bescheiden omvang van onze faciliteit en de volledig geautomatiseerde procedures op het gebied van meten en kalibreren waren cruciaal voor de uitvoering van de goedgekeurde experimentele aanpak. Terwijl gedetailleerde resultaten over de ontwikkeling van wind-Golf veld onder het wankele dwingen zal worden gepresenteerd in de toekomst elders, het blijkt uit Figuur 6, Figuur 7en Figuur 8 die eerder niet beschikbaar informatie over fijne details van de evolutie van de wind-Golf wordt geaccumuleerd in de huidige studie. Deze informatie zal worden gebruikt voor het valideren van de verschillende theoretische modellen die zich met de excitatie van golven bezighouden door wind1,2,3,4,5,24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de Israël Science Foundation, subsidie # 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

Engineering kwestie 132 Wind golven laser helling meten wind-Golf tank ensemble gemiddeld ruimtelijke en temporele variabiliteit wind
Metingen van golven in de Tank van een Wind-Golf onder gestage en tijd tegenover wisselende Wind dwingen
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