Summary
כתב יד זה מתאר הליך מלא מבוקר-מחשב זה מאפשר קבלת אמין פרמטרים סטטיסטיים מן הניסויים של גלי מים מתרגש על-ידי רוח לא יציב ויציבה אילוץ במתקן בקנה מידה קטן.
Abstract
כתב יד זה מתאר הליך ניסוי מאפשר קבלת מידע כמותי מגוונות על האבולוציה הגיאופוליטיות והמרחביות הטמפורלי של גלי מים מתרגש על-ידי אילוץ רוח תלויי-זמן ויציבה. מד קיבול מסוג גל ו מד שיפוע לייזר (LSG) משמשים כדי למדוד את גובה פני השטח מים מיידי, שני מרכיביה של המדרון משטח מיידי במספר מקומות לאורך סעיף מבחן של מתקן גל. מתקשרים מבוקר-מחשב מספק זרימת האוויר מעל המים במיכל שקצב יכול להשתנות עם הזמן. בניסויים הנוכחי, מהירות הרוח בסעיף מבחן בתחילה מגדיל במהירות משאר לערך קבוע. לאחר מכן נשמר קבוע למשך פרק הזמן שנקבע; בסופו של דבר, זרימת האוויר כיבוי. בתחילת כל הפעלה ניסיונית, פני המים הוא רגוע, אין רוח. הפעולה של מתקשרים הוא שיזם בו זמנית עם רכישת נתונים שסופקו על-ידי כל החיישנים מחשב; חדרי קירור והקפאה ממשיך עד הגלים במיכל מלא ריקבון. מספר הרצפים עצמאית תחת כפייה בתנאים זהים לאפשר קביעת אמין מבחינה סטטיסטית בממוצע-אנסמבל מאפיין פרמטרים המתארים באופן כמותי הוריאציה של רוח-גלים בזמן לשלב הפיתוח כמו פונקציית המקל. ההליך מאפשר גם אפיון ההתפתחות המרחבית של השדה גל תחת רוח יציב מכריח, כמו גם קרינת גלים בזמן, ברגע שהרוח כיבוי, כפונקציה של fetch.
Introduction
מאז ימי קדם, זה היה ידוע כי גלים על משטחים מים שמחים על ידי הרוח. ההבנה הנוכחית של המנגנונים הפיזי המנהלות תהליך זה הוא רחוק מלהספיק. תיאוריות רבות מנסה לתאר גל דור הוצעו לאורך שנים1,2,3,4, אולם אימות ניסיוני אמין שלהם אינה זמינה עדיין. המידות הרוח אקראי-גלים באוקיינוס הם מאתגר ביותר בשל רוח בלתי צפויים שעשויים להשתנות במהירות לכיוון באותה מידה כמו בסולם ריכטר. ניסויי מעבדה נחמדים יש יתרון לשליטה תנאים המאפשרים מדידות זמן ממושך ולא הדיר.
תחת רוח יציב מכריח בסביבת מעבדה, רוח-גלים להתפתח בחלל. הניסויים הראשונים מעבדה על גלי תחת אילוץ יציב שבוצעה לפני עשרות שנים היו מוגבלים עד גובה פני השטח מיידי מדידות5,6,7,8. מחקרים מאוחרים יותר מועסקים גם טכניקות שונות אופטי למדידת זווית הנטייה משטח מים מיידי, כגון LSG9,10. מדידות אלה מותר להזדיין מוגבלת מידע איכותי על מבנה תלת ממדי של שדות גל. כאשר הרוח מכריח היא יציבה, כפי שהיא שדה ניסויים, מורכבות נוספת הוא הציג לבעיה של עירור של גלי מים על ידי הרוח, מאז פרמטרים סטטיסטיים של שדה גל המתקבל משתנים לא רק בחלל אך בבוא העת גם כן. הניסיונות שנעשו עד כה כדי לתאר דפוסי ההתפתחות גל איכותית, באופן כמותי תחת תלויי-זמן מכריח היו רק הצלחה חלקית11,12,13,14 , 15 , 16. התרומה היחסית של מנגנונים שונים פיזי סביר שעשוי להוביל עירור וצמיחה של גלי עקב פעולה רוח ידוע בעיקר.
במתקן ניסיוני שלנו תוכנן במטרה מאפשר ההצטברות של מידע סטטיסטי מדויק ומגוון על וריאציה של גל ים-מאפייני שדה תחת רוח יציב או לא יציב או אילוץ. שני גורמים עיקריים הקלה בביצוע מחקרים אלה נתונים היסטוריים. ראשית, גודל צנוע של התוצאות מתקן באבולוציה האופיינית קצר יחסית אומד בזמן ובמרחב. שנית, הניסוי כולו נשלטת במלואה על ידי מחשב, ובכך מאפשר את הביצועים של מסלולי הניסוי בתנאים שונים ניסיוני כמעט באופן אוטומטי ללא התערבות אנושית. תכונות אלה של הסידור ניסיוני בעלות חשיבות מכרעת בביצוע ניסויים על גלי נרגשת בין השאר על ידי הרוח אימפולסיבי.
הצמיחה המרחבי של גלי רוח תחת אילוץ יציב נחקרה במתקן שלנו עבור טווח המהירויות ' רוח '17. התוצאות הושוו עם הערכות קצב הצמיחה מבוסס על תיאוריה18 Miles, כפי שהוצגו על ידי הצמח19. ההשוואה חשף כי תוצאות ניסויים שונים ובמיוחד תחזיות תיאורטיות. פרמטרים חשובים נוספים היו גם שהושג ב17, כגון לחץ כלומר ירידה סעיף מבחן, וכן הערכים המוחלטים של שלבים של תנודות האופיינית לחץ סטטי. גזירה על הממשק אוויר מים חיוני עבור אפיון של העברת תנע ואנרגיה בין17,של רוח וגלים -19. לכן, מפורט מדידות של השכבה גבול לוגריתמי ותנודות סוערים בזרימת האוויר מעל המים גלים בוצעו ב fetches רבים ורוח מהירויות20. ערכי החיכוך מהירות u* -הממשק מים אוויר נקבע במחקר זה שימשו כדי לקבל פרמטרים סטטיסטיים שהוא של הגלים-הרוח נמדד שלנו מתקן21. ערכים אלה הושוו עם הפרמטרים שהוא המקביל בשנת התקנות ניסיוני גדולות, שדה ניסויים. הוכח בעבר21 כי עם קנה המידה הנכון, המאפיינים החשובים של השדה גל שהושג במתקן בקנה מידה קטן שלנו לא נבדלים באופן משמעותי הנתונים המתאימים שנצבר במעבדה גדול יותר התקנות ומדידות לים הפתוח. פרמטרים אלה כוללים גידול המרחבי של גובה הגל נציג, אורך הגל, הצורה של הספקטרום תדר של גובה פני השטח, כמו גם את הערכים של רגעים סטטיסטית גבוהה יותר.
המחקרים הבאים ביצעה22,שלנו מתקן23 הראה כי רוח גלים הם בעיקרו של דבר אקראי ותלת -ממדיים. כדי לקבל תובנה טובה יותר לתוך מבנה תלת-ממדי של גלי הרוח, נעשה ניסיון לבצע מדידות כמותיים תלויי-זמן של גובה פני המים על פני שטח מורחבים באמצעות דימות סטריאו וידאו22. בגלל אספקת החשמל למחשב לקוי לרשותכם הנוכחי, בעיבוד אלגוריתמים שאינם עדיין מספיק יעיל, ניסיונות אלה התבררה רק הצלחה חלקית. עם זאת, הוכח כי שימוש משולב לאמוד גל קיבוליות קונבנציונלי-סוג של LSG מספק מידע חשוב על המבנה המרחבי של גלי הרוח. היישום בו זמנית של שני כלים אלה מאפשר מדידות עצמאי עם רזולוציה טמפורלית גבוהה של גובה פני השטח מיידי ושל שני מרכיביה של מדרון משטח מיידי23. מדידות אלה מאפשרות אומדן הן דומיננטי תדירות, אורך הגל הדומיננטי של הגלים, כמו גם מתן תובנה המבנה הגלי בכיוון נורמלית ברוח. צינור פיטו, אשר ניתן להעביר אנכית על ידי מנוע מבוקרת מחשב, משלים את ערכת חיישנים ומשמש למדידות של מהירות הרוח.
כל מחקרים אלה הבהיר תוצרת אקראיות, אתמהא הרוח גלים לגרום משמעותי השתנות הפרמטרים נמדד גם עבור יציב הרוח מכריח, מיקום המדידה יחיד. לפיכך, ממושך מדידות עם משך בקנה אחד עם הזמן האופייני סולמות של השדה גל נמדד נדרשים לצבור מידע מספיק עבור חילוץ כמויות סטטיסטי אמין. כדי לזכות בתובנה פיזי יקר מנגנונים המסדירים וריאציה המרחבי של השדה גל, זה הכרחי כדי לבצע מדידות במקומות רבים ועל ערכים רבים של קצב זרימת רוח ככל האפשר בסעיף מבחן. כדי להשיג מטרה זו, ולכן רצוי מאוד ליישם ניתוח ניסיוני אוטומטית.
ניסויים על גלי נרגש על-ידי רוח לא יציב אילוץ מציגים רמה נוספת של מורכבות. במחקרים כאלה, זה הכרחי להתייחס הפרמטרים נמדד מיידי הרמה מיידי של מהירות הרוח. שקול ניסויים על גלי נרגש משאר יכפו רוח כמעט אימפולסיבי בתור דוגמה חשובה. במקרה זה, מדידות עצמאיים רבים נדרשים של השדה גל מתפתח תחת הפעולה של הרוח משתנה עם הזמן בעקבות את התבנית שנקבעה באותו24. פרמטרים סטטיסטיים משמעות, באה לידי ביטוי גם פונקציה של הזמן שחלף מאז אתחול של זרימת אוויר, ואז מחושבים לפי ממוצע של הנתונים שחולצו מן האנסמבל מצטבר של מימושים עצמאית. התחייבות זו עשויה להיות כרוכה עשרות ומאות שעות של דגימה רציפה. משך הזמן הכולל של הפעלות ניסיוני נדרש לבצע משימה כל כך שאפתנית מעבד את כל התבנית ישים, אלא אם הניסוי הוא אוטומטי לחלוטין. מלא ממוחשב ניסיוני פרוצדורה משפטית כזאת לא במתקני גל ים-פותחה עד לאחרונה. . זה בין הסיבות העיקריות חוסר אמינות נתונים סטטיסטיים על גלי רוח תחת אילוץ לא יציב.
מאז המתקן המשמש את הניסוי לא נבנית זמינים מסחרית, חומרה מדף, תיאור קצר של חלקיו העיקריים מסופק כאן.
איור 1. מפרטים טכניים (לא לשנות את קנה המידה) תצוגה של מתקן ניסיוני. 1 - מפוח; 2 - תזרים להתיישב לחדר; 3 - יצוא להתיישב לחדר; 4 - משתיק תיבות; 5 - סעיף מבחן; עם 6 - החוף; 7 - מחליף חום; 8 - חלת דבש; 9 - זרבובית; 10 - wavemaker; 11 - דש; 12 - מכשיר הכרכרה; 13 - מד גל מונע על ידי מנוע stepper; 14 - צינור פיטו מונע על ידי מנוע stepper. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
מתקן ניסיוני מורכב במנהרת רוח לולאה סגורה רכוב נגמר טנק גל (מבט סכמטי מוצג באיור1). סעיף מבחן הוא 5 מ', 0.4 מ', וגובהה 0.5 m עמוק. ובמכסה והרצפה עשויים לוחות זכוכית עבה 6 מ מ, מוקפים בתוך מסגרת עשויה פרופילי אלומיניום. קפל זמן 40-ס מספק של הרחבת חלקה של חתך הרוחב זרימת האוויר מן הצינור אל פני המים. גל אנרגיה קליטת חוף חומר נקבובי אריזה הינו ממוקם בקצה של הטנק. מפוח מבוקר-מחשב מאפשר השגת מהירות זרימת האוויר אומר בסעיף מבחן עד 15 m/s.
המונה 100 מ מ באורך גל של קיבול בהזמנה אישית-סוג מורכב טנטלום מגולוון. חוט 0.3 מ מ, מותקן על שלב אנכי מונע על ידי מנוע צעד מבוקר מחשב המיועד לכיול מד גל. צינור פיטו בקוטר של 3 מ מ משמשת למדידת הלחץ דינמי בחלקו המרכזי זרימת האוויר של סעיף מבחן.
LSG, מדידת שיפוע משטח מים 2D מיידי, מותקן על מסגרת מנותקת סעיף מבחן זה ניתן למקם בכל מקום לאורך הטנק (איור 2). LSG מורכב מארבעה חלקים עיקריים: של דיודת לייזר, עדשות פרנל, מסך המפזרת, אסיפה גלאי חישה עמדה (PSD). דיודת לייזר יוצרת 650 nm (אדום), 200 mW ניתן למיקוד קרן לייזר עם קוטר של-0.5 מ מ. הקוטר ס מ 26.4 פרנל עדשה עם אורך מוקד של 22.86 ס מ מנחה את קרן הלייזר נכנס למסך 25 x 25 ס מ2 המפזרת ממוקם בתוך המטוס בחזרה מוקד של העדשה.
באיור 2. הצג סכימתי של מד שיפוע לייזר (LSG). 1 - לייזר דיודה; 2 - עדשת פרנל; 3 - מסך דיפוזיה; 4 - מיקום חיישן גלאי (PSD). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
פרוטוקול זה מתאר את ההליך המאפשר ביצוע ניסויים שבהם פרמטרים רבים אפיון גלים לא יציב נמדדים בו-זמנית תחת רוח תלויי-זמן מכריח. ניתן לכוונן את ההליך בכל הרצוי התלות של מהירות הרוח זמן אשר יכולה להיות מושגת על רקע המגבלות הטכניות של מתקן ניסיוני. בפרוטוקול הנוכחי מתאר במפורש ניסויים, שבו כל מימוש הרוח מתחילה כמעט בפזיזות מעל המים רגועים בתחילה. הרוח יציב מכריח ואז נמשך מספיק זמן לזה השדה גל בכל מקום בסעיף מבחן משיגה המדינה ומעין יציב. הרוח בסופו של דבר נסגר למטה, שוב כמעט בפזיזות. בכל שלבי, נרשמים פרמטרים גל מרובים. הליך זה מאפשר חישוב של רבים סטטיסטית נציג בממוצע-אנסמבל כמויות אפיון השדה מיידי מקומיים-גל הוא רומן, פותחה במהלך הניסויים האחרונים ביצעו במתקן שלנו 22 , 23 , 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת המערכת
- למלא את המיכל עם מי ברז עד לעומק של-20 ס מ כדי לספק תנאי שמאכלסת; לנקות את המשטח של כל מזהמים שעשויים להשפיע על מתח הפנים של המים.
- מקם את הכרכרה מכשיר הבא הרצוי.
- הר צינור פיטו ומקם אותה במרכז החלק זרימת האוויר של סעיף מבחן.
- הר מד גל על הבמה אנכי מבוקר-מחשב כדי לאפשר את הכיול סטטי.
- מיקום ההרכבה LSG הבא הרצויה ועל המרחק לרוחב של-7 ס מ מד גל כדי למנוע הפרעה של הגל מד הרכבה עם השביל אופטי.
הערה: השימוש וילון אטום מומלץ כדי למנוע את חשיפת PSD אור מקיף, כמו גם כדי להגן על הסביבה מפני כדין השתקפויות של קרן הלייזר.- יישור הלייזר ממוקם מתחת למיכל המים כך הקורה מכוונת אנכית, ממקדים את הקרן.
- מיקום עדשת פרנל בתוך סעיף מבחן גבוה ככל האפשר מעל פני המים כדי למזער את ההפרעה של העדשה של זרימת האויר.
- ודא כי קרן הלייזר הסיט מכה את העדשה בחלקה המרכזי בתנאים קיצוניים רוח מתוכנן במהלך הפעלה ניסיונית.
- הר המסך המפזרת בדיוק במישור המוקד של העדשה ולאחר מכן בדוק את היישור האופקי והאנכי של העדשה והן על המסך.
- ודא כי כל קרני לייזר אנכיים מקבילים שני. תזיז את המסך המפזרת בדיוק במרכז כאשר פני המים עדיין.
הערה: ניתן לבדוק באמצעות לייזרים זהים שני מוצבים במרחק אחד מהשני. - מקם את PSD מוודא כי כל האזור של המסך המתפשט בתוך שטח אפקטיבי של הגלאי. לבצע מיקוד של העדשה PSD על-ידי התאמת ההגדרות עדשה המרחקים הממשיים בין העדשה ואת המסך.
2. כיול ותפעול של חיישנים
-
כיול של מד גל
- לבצע כיול מד גל עבור כל מיקום המדידה ואת כל מהירות הרוח המקסימלי הצפוי בטווח ניסיוני.
- הגדר את המיקום האנכי של החיישן כך מפלס המים כלומר הרוחבי האורך של החוטים חישה.
- להגדיר את מהירות מפוח לערך הרצוי, ולאפשר את הרוח להתפוצץ בהתמדה במשך זמן רב מספיק (2-3 דקות).
- באמצעות אוסצילוסקופ, להתאים ידנית ורגישות, רווח ולאחר קיזוז של מד גל באמצעות יחידת מזגן כדי להבטיח כי הערכים מתח המתאים הפסגה הגבוהה ביותר, את השוקת הנמוך הצפוי בשטח גל בטווח של A/D ממיר (+ /-10 V).
- סגור את המצלצל במשך מספר דקות, עד פני המים הופך לחלוטין ללא הפרעה.
- ודא האורך המשוקע הוא בתוך קרסט המקסימלי הצפוי שוקת ערכים על-ידי הזזת הגל לאמוד בצורה אנכית.
- לבצע כיול אוטומטי של מד גל שימוש שגרתי בהזמנה אישית בהמים עדיין השוקע מד במספר העומקים שצוינו והקלטת את הפלט מתח כלומר במהלך 5 s עבור כל עומק.
- מתאים כיול ריבועית פולינום בנתונים מוקלטות כדי להשיג את התלות H(V), H איפה העומק שירידות (תואם גובה פני השטח מיידי), כפונקציה של מד מתח V.
- בדוק חזותית איכות מצויד הכיול פולינומיאלי (איור 3).
- לבצע כיול מד גל עבור כל מיקום המדידה ואת כל מהירות הרוח המקסימלי הצפוי בטווח ניסיוני.
איור 3. עקומת כיול מד גל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
-
כיול וכוונון LSG
- ודא את הביצועים של LSG לאחר כל העקירה של ההרכבה חיישן.
- שימוש של פריזמה טריז אופטי על גיליון זכוכית אופקי, לסטות קרן הלייזר ביחס לציר האופטי להדמיית מדרון משטח המים הידועים.
- לדוגמה PSD פלטי קרן הלייזר סטיה נקודה על המסך דיפוזיה באמצעות תנודות או תוכנית רכישת נתונים לפי הזמנה.
- לחישוב הזווית סטיה קרן, המדרון מ הקואורדינטה קרן לייזר קואורדינטות נמדד ספוט; השווה את התוצאה עם הזווית טריז ידוע.
- חזור על הפעולות לכל מספר זוויות סטיה באמצעות אחד או יותר מינסרתיים.
הערה: טריז מנסרות עם זוויות סטיה ועד 2.5° 17.5° שימשו; אם הבדיקה נכשלה עקב אי-התאמות של PSD עם המסך המפזרת, להתאים את PSD באופן ידני, לתיקון אי-התאמות. הליך זה מתבצע באופן ידני באמצעות שלב 2D הזזות אפקיות ורמת, זמן רב מאוד.
-
אימות של ליניאריות של הליך PSD וכיול
- למקם את רשת המרווחות באופן שווה זה הודפס על סדין שקוף על המסך המפזרת, אוריינט זה כך שלה צירים, x ו- y, מיושרים עם למטה, לחצות כיווני רוחות, בהתאמה (איור 4).
הערה: הרשת מאפשר לכוון את קרן הלייזר למקומות הרצויים על המסך המפזרת בנוחות במדויק באמצעות קבוצת מנסרות או הזזת הלייזר מתחת למסך המפזרת הכיוונים לאורך-רוח, הצולבת. - שימוש בערכת מנסרות, להסיט את קרן הלייזר אנכי כדי לקבל מספר עמדות רדיאלי של קרן הלייזר נקודה על המסך המפזרת תוך שמירה על זווית azimuthal קבוע.
הערה: ברזולוציה של 1 ס מ ו- radius מקסימלי של 7 ס מ משמש עבור כל אחת הזוויות azimuthal 9. - להזיז את הנקודה לייזר למיקומים מרובים ב- x-כיוון, תוך שמירה על y לתאם הקבוע, לשנות את הכיוון של התנועה ל- y, ואז להמשיך את x קבוע.
הערה: טווח ואת הרזולוציה שתשמש דומים לאלה מהסעיף הקודם. - לאסוף כ 50 נקודות על הרשת ב כל כיול.
הערה: הקואורדינטות ספוט של קרן לייזר נרכשים על ידי PSD, להעריך באמצעות אוסצילוסקופ בשני ערוצים רגיל מחובר של PSD.- לכל כיוון, שימוש ליניארי מתאים של הנתונים להניב מקדמי כיול כדי להמיר את הקואורדינטות של קרן הלייזר על החיישן PSD הקואורדינטות המתאים על המסך דיפוזיה.
הערה: דוגמה של הכיול PSD מותווית באיור 5 סדרה של נקודות לאורך האמצע של סעיף מבחן. התגובה של החיישן, ובכך מקדמי כיול, הוא כמעט זהה בכל הכיוונים כאשר הצירים של המסך המפזרת, החיישן מיושרים כהלכה. הרשת מקלה על ההליך כיול, המאפשר קביעת קל של הקואורדינטות מדרון לייזר על המסך דיפוזיה.
- לכל כיוון, שימוש ליניארי מתאים של הנתונים להניב מקדמי כיול כדי להמיר את הקואורדינטות של קרן הלייזר על החיישן PSD הקואורדינטות המתאים על המסך דיפוזיה.
- למקם את רשת המרווחות באופן שווה זה הודפס על סדין שקוף על המסך המפזרת, אוריינט זה כך שלה צירים, x ו- y, מיושרים עם למטה, לחצות כיווני רוחות, בהתאמה (איור 4).
- ודא את הביצועים של LSG לאחר כל העקירה של ההרכבה חיישן.
באיור 4. הרשת מסך המפזרת. הרשת מקלה בבימוי קרן הלייזר למקומות הרצויים על המסך המפזרת בנוחות ובצורה מדויקת, או באמצעות קבוצת מנסרות או לגור הלייזר מתחת למסך המתפשט לאורך-רוח, הצולבת כיוונים לחץ כאן הצג גרסה גדולה יותר של הדמות הזו.
איור 5. עקומת כיול PSD. האיור מדגים התרגום של PSD פלט מתחים כדי קואורדינטות מניב תוצאות נאותה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
3. ניסויי ורכישה נתונים
הערה: ראה איור משלים 1 עבור ממשק המשתמש של שימוש בשלבים הבאים.
- הגדרת תדירות מפוח באמצעות ממשק משתמש תוכנית לפי הזמנה.
הערה: כמעט stepwise עליית מדד את מהירות הרוח על פני המים בתחילה ללא הפרעה היה מוחל, ואחריו קצב זרימת אוויר קבועה עבור משך זמן שנקבע (120 s), אימפולסיבי כמעט כבה של מתקשרים. - לקבוע את מספר שיעורי זרימת רוח יציב שונים והגדרות מפוח חובה.
- התאם את הגדרות מתמר לחץ על הטווח הצפוי של וריאציות לחץ דינמי זוהה על ידי צינור פיטו.
- ודא כי בתחילת כל מימוש, אין רוח, פני המים ויש ללא הפרעה (ראי חלקה). להתחיל הנתונים באופן סינכרוני עם המבצע של מתקשרים.
- להקליט את גובה פני השטח מיידי, מדרון משטח הרכיבים השונים לאורך-כיוונים הצולבת, צינור פיטו פלט ניטור של מהירות הרוח רעה U, ואת וריאציית מתח מבקר מפוח הדגימה שנקבע שיעור ( 300 הרץ/ערוץ שימשו).
הערה: המתח של גל-מד שנרכשה על-ידי התוכנית מומרת באופן אוטומטי את גובה פני השטח באמצעות מקדמי כיול של התאם המוצג באיור3. - המשך דגימה עבור מספיק זמן כדי להקליט את השדה גל רקובה לאחר הכיבוי של מתקשרים.
- עם סיומו של הדגימה, ודא כי ההליך ניסיוני אוטומטי מאפשר מספיק זמן (תלוי במערכת) להביא את פני המים למצב ללא הפרעה לפני אתחול של הפעלה הבאה.
- לשמור את כל הנתונים מוקלטות עבור עיבוד עוקבות.
- לבצע את המספר הקבוע של מימושים (בדרך כלל 100 פועל עצמאית נמצאו מספיק).
- חשב את הפרמטרים בממוצע-אנסמבל של נתוני ההקלטות כפי פונקציה של הזמן שחלף מאז אתחול של מתקשרים.
- חזור על כל התהליך עבור ההגדרה הבאה של מתקשרים התואם מהירות הרוח היעד הנבחר בסעיף מבחן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התוצאות נציג בממוצע-אנסמבל מותוות בתרשימי איור 6, איור 7ו- 8 איור. הווריאציות של הערכים RMS של1/גובה פני השטח מיידי <η2>2 המאפיינת את משרעת גלי רוח אקראי כפי שהוצג באיור 6 כפונקציה של הזמן שחלף מאז חניכה של מתקשרים. התוצאות מוצגות 3 מהצירים wavemaker, x, ועבור היעד שלושה הטורנדו, U.
עבור קבוע fetch x, להגדיל amplitudes גל האופייניים של המדינה מעין קבוע שיווי משקל עם מהירות הרוח U; עם זאת, משך הזמן הדרוש כדי להשיג את הערך יציב הקבועה של <η2>1/2 לאחר החניכה של מתקשרים לא נראה תלוי בחום U -כל נתון אקס הערכים שיווי משקל של amplitudes גל אופיינית עבור ערך יעד קבוע של הרוח מכריח U הגדל עם fetch. שימו לב גם כי וריאציה של קצב השינוי של <η2>1/2 לזיהוי בעיקול כל המותווים איור 6, רומז בבירור כי קיימים שלבים בבית הגידול רוח-גלים תהליך. אנסמבל ממוצע הערכים RMS של הרוח ואת הצולבת מדרון רכיבים, <ηx2>1/2 ו- <ηy2>1/ 2, הותוו איור 7 שני fetches, שני ערכים של מדד את מהירות הרוח U.
זה מתבטא מן ההשוואה של איור 6 ו- איור 7 כי הזמן האופייני סולמות של וריאציה של שני הרכיבים מדרון פני השטח הם אף קצרה יותר מאשר המשקל המתאים של וריאציית גובה פני השטח. הערכים ומעין יציב של <ηx2>1/2 ו-1/<ηy2>2 הם באותו סדר גודל הצפוי, למרות האופיינית מדרונות בכיוון הצולבת קטנים המדרונות בכיוון לאורך-רוח. תוצאות אלה מציינים כי גלי רוח הם קצרים-ציצית ותלת -ממדיים. ערכי השיפוע האופיינית בשני הכיוונים תחת רוח יציב ומעין מכריח נראה להיות עצמאית ביסודו של fetch x, אבל להגדיל עם מהירות הרוח U. מבט מקרוב על וריאציית הטמפורלי של רכיבי מדרון שני עבור קבוע x ו- U מגלה כי הגידול הראשוני <ηx2>1/2 הוא עקבי ו ובמיוחד מהר יותר של <ηy2>1/2. לפיכך, בשלב מאוד מוקדם של הגידול של הגלים הראשונית המופיעות על פני המים רגועים של הפעלת רוח, הם ניתן לראות כ דו מימדי. שלב זה נמשך רק שבריר של שנייה אחת; עם זאת, חשוב להדגיש, כי אתמהא חיוני של השדה גל מפתחת עם עיכוב מסוים.
אופן הפעולה של השדה גל לאחר הכיבוי של מתקשרים מוצג באיור8. הגלים שנותר במיכל מתנוונים במהירות, ביעילות נעלם לאחר כ- 1 דקות.
איור 6. וריאציה הטמפורלי של RMS של גובה פני השטח. האיור מדגים כי הזמן מאזני וריאציה של גובה הגל האופיינית המיוצג על-ידי <η2>1/2 תלויה את מהירות הרוח יעד U על fetch. x. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7. וריאציה עם הזמן של RMS הרכיבים מדרון משטח הרוח/קרוס-רוח. בממוצע-אנסמבל ערכי RMS של הרוח ואת רכיבי מדרון הצולבת, <ηx2>1/2 ו- <ηy2>1/2, מותוות כאן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8. דעיכה של הרוח-הגל שהוגשה לאחר הכיבוי של מתקשרים. את אנסמבל ממוצע הערכים RMS של הרוח ואת רכיבי מדרון הצולבת, <ηx2>1/2 ו- <ηy2>1/2, ההתוויה של איור 7 שני fetches, שני ערכים של מדד את מהירות הרוח U. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
משלים איור 1: ממשק המשתמש התוכנה שהותקן עבור רכישת נתונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
פרוטוקול הניסוי הנוכחי מכוונת אפיון כמותי של שדה גל תחת רוח לא יציב מכריח מתפתח בזמן ובמרחב. כיוון הרוח-גלים במהותו אקראי ותלת -ממדיים, ובכך להשתנות במהירות בזמן ובמרחב, רשומות של מימושים בודדים של שדה גל גדל תחת רוח תלויי-זמן אילוץ יכול לספק רק הערכות איכותי של המסדירים גל פרמטרים. כדי להשיג את המטרה של פרוטוקול זה ולקבל מאפיינים של גל אמין מבחינה סטטיסטית זמן fetch ותלוי, זמן לפתור אנסמבל בממוצע של אינספור מסלולי ניסיוני עם תבנית זהה של וריאציה הרוח בזמן יש להחיל. מאחר הצטברות כזה מפורט ומידע נרחב עבור מטרה שונים הטורנדו, fetches זמן רב מאוד, ההליך ניסיוני חייב להיות אוטומטיות, גמיש מספיק כדי לאפשר את ההתאמות הדרושות עבור שונים רוח לכפות תנאים. לפי מיטב ידיעתנו, ההליך ניסיוני המתואר בכתב היד כי הוא מסוגל לספק גל סטטיסטי מגוון פרמטרים שדה תחת הרוח משתנה כופה עם רזולוציה טמפורלית הגיאופוליטיות והמרחביות היה ברובו אינו זמין עד עכשיו.
שימו לב כי משך הזמן של ניסויים הדרושים לביצוע מדידות גל בגל מעבדה טנק גדל באופן משמעותי עם הגודל של המתקן. זה באופן חלקי בגלל משך שלב הצמיחה של גל עולה עם fetch (ראה איור 6). אורכי הגל ותקופות גם לגדול עם fetch17,21,23,24, וכך במשך צבירת נתונים מייצגים סטטיסטית, משך הניסוי בכל ריצה צריך להיות ארוך בהשוואה התקופה המקבילה הגל הדומיננטי. מימושים בודדים-fetches באופן משמעותי יותר מאשר אלה מועסקים במחקר הנוכחי יש ובכך להיות ממושך. חשוב יותר, נרגש על ידי הרוח במתקן ניסיוני בכל אורכי הגל הארוך הם מסדר האורך האופייני של הטנק. הגלים שאריות שנותרו במיכל לאחר הכיבוי של הרוח מתקן גדול יותר וכך דורשים יותר פעמים על הריקבון שלהם. המרווח בין ריצות רצופות במיכל גל גדול הנדרש כדי לחזור אל פני המים באין מפריע לכן חייב להיות ניכר כבר יותר ממרווח שש דקות המועסקים בניסויים שלנו.
הגישה הכללית המתוארת לעיל יכול להיות מיושם למגוון רחב של רוח לא יציב ויציבה לכפות תנאים. כתב יד זה, נבחר וריאציית הטמפורלי של רוח מכריח עם המטרה של הפעלת ההצטברות של גוף חזק של נתונים ללמוד שדה גל לא יציב תחת הרוח ביעילות אימפולסיבי מכריח והכיבוי, כמו גם תחת רוח יציב לאלץ. לשם כך, הוקדשה כדי להבטיח כי פני המים היה רגוע, ללא הפרעה לפני אתחול של כל הפעלה ניסיונית. בכל איטרציה, הרוח החלה כמעט בפזיזות על ידי מתקשרים ולאחר מכן קצב זרימת אוויר נשאר קבוע במשך זמן רב מספיק (2 דקות בניסויים הנוכחי), אחרי אשר מתקשרים היה סגור. גישה זו מאפשרת ללמוד בנפרד חנותם המתפתחת שדות גל גדל מ פני המים בתחילה רגוע למצב יציב ומעין-המהירות fetch ורוח נתון ולאחר מכן המאפיין של גלים תחת רוח יציב מכריח, ולבסוף קרינת גלי ברגע רוח מכריח בפתאומיות כיבוי.
משך הזמן של כל מימוש בודדים במחקר הנוכחי המכיל את תירגע תקופת ובכך חורג 8 דקות. לכן, ניסויים הנתונים שנצברו עבור 100 עצמאי פועל במהירות fetch יחיד, מהירות הרוח יעד אחרונה כמעט 15 שעות (כולל משך ההליך כיול מד גל). ברור כי עבור כזה מאמץ מוצלח, זה הכרחי כי כל תהליך ניסיוני יכול להתבצע באופן אוטומטי, כלומר לחלוטין ללא התערבות אנושית.
לכן צריך להדגיש כי הן את גודל צנוע של המתקן שלנו ואת ההליכים מדידה וכיול אוטומטי לחלוטין היו חיונית עבור מימוש הגישה ניסיוני המאומץ. בעוד תוצאות מפורטות על האבולוציה שדה-גל תחת אילוץ לא יציב, יוצגו בעתיד במקום אחר, זה לכאורה באיור 6, איור 7, איור 8 מידע זמין בעבר זה בסדר על הפרטים של האבולוציה גל נצבר במחקר הנוכחי. מידע זה ישמש כדי לאמת מודלים תיאורטיים שונים העוסקים עירור גלים על-ידי רוח1,2,3,4,5,24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
לעורכים יש דבר לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, גרנט 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).
