Summary
Este manuscrito descreve um procedimento totalmente controlada por computador que permite a obtenção de parâmetros estatísticos fiáveis de experimentos de ondas de água animados forçando vento constante e instável em uma instalação em pequena escala.
Abstract
Este manuscrito descreve um procedimento experimental que permite a obtenção de diversas informações quantitativas sobre a evolução temporal e espacial das ondas de água animadas pelo tempo-dependente e constante vento forçando. Medidor de onda de capacitância-tipo e calibre de inclinação de Laser (LSG) são usados para medir a elevação da superfície água instantâneos e dois componentes da superfície inclinação instantânea em vários locais ao longo da secção de teste de uma instalação de vento-onda. O ventilador controlado por computador fornece o fluxo de ar sobre a água no tanque cuja taxa pode variar no tempo. Nas experiências presentes, a velocidade do vento na seção teste inicialmente aumenta rapidamente de resto ao valor ajustado. Então é mantida constante durante o período prescrito; Finalmente, o fluxo de ar é desligado. No início de cada execução experimental, a superfície da água é calma e sem vento. Operação do ventilador é iniciada simultaneamente com a aquisição dos dados fornecidos pelos sensores de todos por um computador; aquisição de dados continua até que as ondas no tanque totalmente decaem. Várias execuções independentes realizadas sob condições idênticas de forçar permitem determinar estatisticamente confiáveis parâmetros característicos ensemble-média que descrevem quantitativamente a variação do vento-waves em tempo para a fase inicial de desenvolvimento como um função de busca. O procedimento também permite caracterizar a evolução espacial do campo de onda sob vento constante forçando, bem como a deterioração das ondas no tempo, uma vez que o vento está desligado, como uma função de busca.
Introduction
Desde os tempos antigos, foi bem conhecido que as ondas em superfícies de água estão animadas pelo vento. O atual entendimento dos mecanismos físicos que governam este processo está longe de ser satisfatória. Inúmeras teorias para tentar descrever a geração da onda de vento foram propostas sobre os anos1,2,3,4, no entanto, sua validação experimental confiável ainda não está disponível. Medições de vento-ondas aleatórias no oceano são extremamente desafiadoras devido ao vento imprevisível que pode variar rapidamente em direção, bem como na magnitude. Experiências laboratoriais têm a vantagem de condições controláveis que permitem medições prolongadas e repetíveis.
Sob o vento constante forçando no ambiente de laboratório, vento-ondas evoluem no espaço. Primeiras experiências de laboratório em ondas sob constante forçando realizada há décadas foram limitadas a elevação instantânea da superfície medições5,6,7,8. Estudos mais recentes também empregou várias técnicas ópticas para medir o ângulo de inclinação de superfície de água instantâneos, tais como LSG9,10. Essas medições podem recebendo algum limitado de informações qualitativas sobre a estrutura tridimensional dos campos de vento-onda. Quando vento forçar é instável, como em experimentos de campo, complexidade adicional é introduzida para o problema da excitação de água waves pelo vento, uma vez que os parâmetros estatísticos do campo de onda resultante variam não apenas no espaço, mas no tempo também. As tentativas feitas até agora para descrever padrões de onda evolução qualitativa e quantitativamente sob dependente do tempo forçando foram apenas parcialmente bem sucedida11,12,13,14 , 15 , 16. crescimento das ondas devido a ação do vento e a contribuição relativa de diferentes mecanismos físicos plausíveis que podem levar à excitação permanece desconhecidas.
Nossa instalação experimental foi projetada com o objetivo de permitir a acumulação de precisas e diversas informações estatísticas sobre a variação das características do campo de vento-onda sob qualquer vento estável ou instável forçando. Dois fatores principais facilitaram a realização desses estudos detalhados. Primeiro, o tamanho modesto dos resultados facilidade na evolução característica relativamente curta escalas no tempo e no espaço. Em segundo lugar, todo o experimento é totalmente controlado por um computador, permitindo assim o desempenho de corridas experimentais sob diferentes condições experimentais automaticamente e praticamente sem intervenção humana. Estas características a montagem experimental são de importância crucial na realização de experiências sobre ondas animadas de resto pelo vento impulsivo.
Crescimento espacial de vento-ondas sob constante forçando tem sido estudado em nossas instalações para uma gama de velocidades de vento17. Os resultados foram comparados com as estimativas de taxa de crescimento baseadas na teoria18 Miles, tal como apresentado pela planta19. A comparação revelou que os resultados experimentais diferem notavelmente as previsões teóricas. Parâmetros adicionais importantes também foram obtidos em17, tais como a gota de pressão média na seção de teste, bem como os valores absolutos e fases das flutuações da pressão de estática característica. A tensão de cisalhamento na interface ar-água é essencial para a caracterização da transferência de momentum e energia entre o vento e as ondas de17,19. Portanto, medidas da camada limite logarítmica e as flutuações turbulentas no fluxo de ar acima da água, ondas foram realizadas em inúmeras buscas e vento velocidades20detalhadas. Os valores da fricção velocidade u* na interface ar-água determinada neste estudo foram usados para obter parâmetros estatísticos adimensionais dos vento-ondas medidos em nossa facilidade21. Estes valores foram comparados com os parâmetros adimensionais correspondentes obtidos em grandes instalações experimentais e experimentos de campo. Foi demonstrado anteriormente21 que com a escala correta, as características importantes do campo de vento-onda obtidas em nossas instalações em pequena escala não diferem significativamente os dados correspondentes acumulada no maior laboratório instalações e medições de mar aberto. Esses parâmetros incluem crescimento espacial do representante da altura e comprimento de onda, a forma do espectro de frequências da elevação da superfície, bem como os valores mais elevados momentos estatísticos.
Os estudos subsequentes realizados em nossas instalações de22,23 mostraram que as ondas de vento são essencialmente aleatórios e tridimensional. Para obter uma visão melhor da estrutura 3D de ondas do vento, foi feita uma tentativa para realizar medições de tempo-dependente quantitativas de elevação da superfície água sobre uma área estendida usando imagem vídeo estéreo22. Devido ao poder de computador insuficiente disponível no presentes e processamento de algoritmos que ainda não são suficientemente eficazes, estas tentativas provaram para ser apenas parcialmente bem sucedida. No entanto, foi demonstrado que o uso combinado de um medidor de onda de capacitância-tipo convencional e a LSG fornece informações valiosas sobre a estrutura espacial das ondas de vento. Aplicação simultânea de ambos os instrumentos permite medições independentes com alta resolução temporal da elevação instantânea da superfície e dos dois componentes da inclinação de superfície instantânea23. Estas medidas permitem a estimativa da tanto a frequência dominante e comprimento de onda dominante de ondas, bem como fornecer insights sobre a estrutura de onda na direção normal ao vento. Um tubo de pitot, que pode ser movido verticalmente por um motor controlado por computador, complementa o conjunto de sensores e é usado para a medição da velocidade do vento.
Todos esses estudos feito claro que aleatoriedade e tridimensionalidade do vento, ondas resultam em significativa variabilidade dos parâmetros medidos mesmo para constante vento forçando e em um único local de medição. Assim, uma prolongada medições com duração proporcional com o tempo característico escalas do campo de onda medido são necessários para acumular informações suficientes para extrair quantidades estatísticas fiáveis. Para obter insights valiosos físico sobre os mecanismos que regem a variação espacial do campo de onda, é imperativo para efectuar medições em vários locais e para tantos valores da taxa de fluxo de vento quanto possível na seção de teste. Para atingir este objetivo, assim, é altamente desejável para aplicar um procedimento experimental automatizado.
Experiências com ondas animadas pelo vento instável forçando introduzir um nível adicional de complexidade. Em tais estudos, é imperativo para relacionar os parâmetros medidos instantâneos para o nível instantâneo da velocidade do vento. Experiências com ondas considere animado de resto forçando um vento quase impulsivo como um exemplo importante. Neste caso, inúmeras medições independentes são necessários do campo de vento-onda evoluindo sob a ação do vento que varia no tempo, seguindo o mesmo padrão prescrito24. Parâmetros estatísticos significativos, expressados como uma função do tempo decorrido desde o início do fluxo de ar, então são calculados em média os dados extraídos do conjunto acumulado de realizações independentes. Esta empresa pode envolver dezenas e centenas de horas de amostragem contínua. A duração total de sessões experimentais necessários para realizar uma tarefa ambiciosa processa toda a abordagem inviável, a menos que a experiência é totalmente automatizada. Tais procedimentos não totalmente informatizado e experimental em instalações de vento-onda foi desenvolvido até recentemente. Que está entre as principais razões para a falta de dados estatísticos fiáveis sobre as ondas de vento sob forçando instável.
Desde que a instalação utilizada para o experimento não é construída a partir de disponível comercialmente, hardware de prateleira, uma breve descrição das principais partes é fornecida aqui.
Figura 1. Diagrama esquemático (não escala) vista da facilidade experimental. 1 - ventilador; 2 - influxo resolução câmara; 3 - saída resolução câmara; 4 - caixas de silenciador; 5 - seção teste; com um 6 - praia; 7 - trocador de calor; 8 - favo de mel; 9 - bocal; 10 - wavemaker; 11 - aba; 12 - transporte de instrumento; 13 - calibre onda, impulsionado por um motor de passo; 14 - tubo de Pitot, impulsionado por um motor de passo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A instalação experimental consiste em um túnel de vento de circuito fechado montado sobre um tanque de onda (uma visão esquemática é mostrada na Figura 1). A seção de teste é 5 m tempo, 0,4 m de largura e 0,5 m profundo. As paredes laterais e o assoalho são feitas de placas de vidro de espessura de 6 mm e são colocados dentro de um quadro de perfis de alumínio. Uma aleta longa 40 cm fornece uma expansão suave da secção transversal do fluxo de ar do bico até a superfície da água. Praia de material poroso embalagem de absorção de energia de onda situa-se na extremidade do tanque. Um ventilador controlado por computador permite atingir a velocidade de fluxo de ar médio na seção de teste até 15 m/s.
A bitola de 100 mm de comprimento de onda sob medida de capacitância-tipo é feita de tântalo anodizado. fio de 0,3 mm é montado em uma fase vertical impulsionada por um motor de passo controlado por PC projetado para calibração do medidor de onda. Um tubo de Pitot com um diâmetro de 3 mm é usado para medir a pressão dinâmica na parte central do fluxo de ar da seção de teste.
O LSG, medindo a inclinação de superfície 2D de água instantâneos, está instalado em um quadro retirado da seção de teste que pode ser posicionada em qualquer local ao longo do tanque (Figura 2). LSG consiste de quatro partes principais: um díodo laser, uma lente de Fresnel, uma tela difusiva e uma montagem do Detector de sensoriamento de posição (PSD). O diodo do laser gera uma 650 nm (vermelho), 200 mW focusable raio laser com diâmetro de cerca de 0,5 mm. A 26,4 cm de diâmetro da lente de Fresnel com distância focal de 22,86 cm direciona o feixe de laser de entrada para a tela difusiva de 25 x 25 cm2 situado no plano focal volta da lente.
Figura 2. Visão esquemática do calibre de inclinação a Laser (LSG). 1 - laser diodo; 2 - lente de Fresnel; 3 - tela difusiva; 4 - posição Sensor Detector (PSD). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Este protocolo descreve o procedimento que permite fazer experiências em que diversos parâmetros que caracterizam as ondas instáveis são medidos simultaneamente sob dependente do tempo vento forçando. O procedimento pode ser ajustado para qualquer dependência desejada da velocidade do vento na hora que pode ser alcançada, tendo em conta as limitações técnicas da instalação experimental. O presente protocolo descreve especificamente os experimentos em que em cada realização, vento começa quase impulsivamente inicialmente calmas águas. O vento constante, forçando então dura por tempo suficiente para que o campo de vento-onda em toda a seção de teste alcança quase constante estado. O vento está fechado eventualmente para baixo, novamente, quase impulsivamente. Em todas as fases, registam-se vários parâmetros de onda. O procedimento que permite o cálculo dos numerosos quantidades estatisticamente representativas ensemble-média, caracterizando o campo local instantânea do vento-onda é romance e foi desenvolvido no decorrer de experiências recentes realizadas em nossas instalações 22 , 23 , 24.
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Protocol
1. preparação do sistema
- Encha o tanque com água da torneira até uma profundidade de cerca de 20 cm para satisfazer a condição de águas profundas; Limpe a superfície da água de quaisquer contaminantes que possam afectar a tensão superficial.
- Posição a carruagem de instrumento para a busca do desejado.
- Monte o tubo de Pitot e posicione-o no centro da parte da seção de teste de fluxo de ar.
- Monte o medidor de onda num palco vertical controlado por computador para permitir sua calibração estática.
- Posição o assembly LSG a busca desejada e a distância lateral de cerca de 7 cm de calibre da onda, para eliminar a interferência da onda bitola assembly com o caminho óptico.
Nota: O uso de uma cortina opaca é recomendado para evitar a exposição do PSD para luz ambiente, bem como para proteger o ambiente de reflexões espúrias do feixe de laser.- Ajustar o laser posicionado abaixo do tanque de água, para que o feixe é direcionado verticalmente e concentrar o feixe.
- Posição da lente de fresnel dentro da seção de teste mais alta possível acima da superfície da água para minimizar a perturbação da lente do fluxo de ar.
- Certifique-se que o feixe de laser desviado a lente na sua parte central nas condições extremas de vento planejado na sessão experimental.
- Montar a tela difusiva exatamente no plano focal da lente e, em seguida, verifique o alinhamento horizontal e vertical de tela e a lente.
- Certifique-se de que quaisquer dois feixes de laser vertical paralelo bater a tela difusiva exatamente no centro, quando a superfície da água é ainda.
Nota: Isso pode ser testado usando dois lasers idênticos posicionados a alguma distância do outro. - Posição do PSD, certificando-se de que toda a área da tela difusiva está dentro da área efetiva do detector. Realize a focagem da lente PSD ajustando as configurações de lente para a distância real entre a lente e a tela.
2. calibração e funcionamento de sensores
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Calibração do indicador da onda
- Realizar a calibração do medidor de onda para cada local de medição e cada velocidade de vento máximo esperado no prazo experimental.
- Defina a posição vertical do sensor para que o nível médio da água é aproximadamente no meio do comprimento dos fios sensoriamento.
- Definir a velocidade do ventilador para o valor desejado e permitir que o vento a soprar constantemente por um tempo suficientemente longo (2-3 min).
- Usando um osciloscópio, ajustar manualmente a sensibilidade, ganho e o deslocamento da onda bitola usando a unidade de condicionador para garantir que os valores de tensão correspondente para a mais alta crista e a calha menor que esperado no campo de onda estão dentro do intervalo da / D conversor (+ /-10 V).
- Desligar o ventilador durante alguns minutos, até que a superfície da água se torna completamente intacta.
- Verificar se o comprimento submerso dentro crista máxima esperada e valores de calha movendo a onda calibre verticalmente.
- Executar a calibração automática da bitola onda usando uma rotina sob medida na água ainda submergindo a bitola em um número de profundidades especificados e gravar a saída de tensão média durante 5 s para cada profundidade.
- Cabe uma calibração quadrática polinomial para os dados gravados para obter a dependência H(V), onde H é a profundidade de submersão (correspondente a elevação instantânea da superfície), em função da tensão de saída Vde calibre.
- Verificar visualmente a qualidade da calibração equipada polinomial (Figura 3).
- Realizar a calibração do medidor de onda para cada local de medição e cada velocidade de vento máximo esperado no prazo experimental.
Figura 3. Curva de calibração do indicador da onda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Calibração e ajuste de LSG
- Verificar o desempenho da LSG após cada deslocamento do conjunto do sensor.
- Usando um prisma óptico Cunha colocado sobre uma folha de vidro horizontal, desvie o feixe de laser em relação ao eixo óptico simulando uma inclinação de superfície de água conhecido.
- Amostra do PSD saídas do desvio laser do ponto na tela difusiva usando um osciloscópio ou um programa de aquisição de dados personalizados.
- Calcular o ângulo de deflexão do feixe e a inclinação da coordenada local do feixe do laser coordenadas medidos; Compare o resultado com o ângulo de cunha conhecido.
- Repita o procedimento para vários ângulos de deflexão, utilizando um ou mais prismas.
Nota: Prismas cunha com ângulos de deflexão, que variam de 2,5 ° a 17,5 ° foram utilizadas; Se o teste falhar devido ao desalinhamento do PSD com a tela difusiva, ajuste o PSD manualmente, para corrigir para desalinhamento. Este procedimento é realizado manualmente usando um estágio da tradução horizontal 2D e um nível e é muito demorado.
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Verificação da linearidade do procedimento de calibração e PSD
- Coloque uma grade igualmente espaçado que foi impresso em uma folha transparente na tela difusiva e prepare-a para que seus eixos, x e y, estão alinhados com o down e transversais direções de vento, respectivamente (Figura 4).
Nota: A grade facilita a dirigir o feixe de laser para os locais desejados na tela difusiva convenientemente e com precisão usando um conjunto de prismas ou movendo o laser abaixo do ecrã difusiva nas direções ao longo-vento e vento lateral. - Usando o conjunto de prismas, desvie o feixe de laser vertical para obter múltiplas posições radiais do laser do ponto na tela difusiva, mantendo um ângulo azimutal constante.
Nota: A resolução de 1 cm e raio máximo de 7 cm são usados para cada um dos 9 ângulos azimutal. - Mover o ponto do laser para várias posições no x-direção, mantendo y coordenar constante, mudar a direção do movimento de ye continuar x constante.
Nota: Gama e resolução usados são semelhantes da seção anterior. - Colete cerca de 50 pontos na grelha em cada calibração.
Nota: As coordenadas de ponto de feixe de laser são adquiridas pelo PSD e avaliaram utilizando um osciloscópio de dois canais padrão ligado ao PSD.- Para cada direção, uso linear ajuste dos dados para produzir os coeficientes de calibração para converter as coordenadas do feixe de laser no sensor do PSD para as coordenadas correspondentes na tela difusiva.
Nota: Um exemplo de calibração o PSD é plotado na Figura 5 para um conjunto de pontos de tomadas ao longo da linha central da seção de teste. A resposta do sensor e assim, os coeficientes de calibração, é quase idêntica em todas as direções, quando os eixos da tela difusiva e o sensor são alinhados corretamente. A grade facilita o processo de calibração, permitindo uma fácil determinação das coordenadas do laser encosta na tela difusiva.
- Para cada direção, uso linear ajuste dos dados para produzir os coeficientes de calibração para converter as coordenadas do feixe de laser no sensor do PSD para as coordenadas correspondentes na tela difusiva.
- Coloque uma grade igualmente espaçado que foi impresso em uma folha transparente na tela difusiva e prepare-a para que seus eixos, x e y, estão alinhados com o down e transversais direções de vento, respectivamente (Figura 4).
- Verificar o desempenho da LSG após cada deslocamento do conjunto do sensor.
Figura 4. A grade de tela difusiva. A grade facilita a dirigir o feixe de laser para os locais desejados na tela difusiva convenientemente e com precisão, usando um conjunto de prismas ou movendo o laser abaixo do ecrã difusiva ao longo-vento e direções de vento , por favor clique aqui para Ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Curva de calibração do PSD. A figura demonstra que a tradução do PSD saída de tensões para coordenadas produz resultados adequados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. procedimento e aquisição de dados
Nota: Consulte a complementar Figura 1 para a interface de usuário usada nas etapas a seguir.
- Ajustar a frequência de ventilador usando uma interface de usuário do programa custom-built.
Nota: Quase gradual aumento da velocidade do vento sobre a superfície de água inicialmente imperturbado foi aplicado, seguido por uma taxa de fluxo de ar constante para uma duração prescrita (120 s), e um quase impulsivo desligado do ventilador. - Determine o número de taxas de fluxo diferentes vento constante e as configurações necessárias ventilador.
- Ajuste as configurações de transdutor de pressão para a esperada gama de variações de pressão dinâmica detectado pelo Tubo Pitot.
- Certifique-se que no início de cada realização, sem vento, e a superfície da água é imperturbável (espelho liso). Inicie a aquisição de dados sincronicamente com a operação do ventilador.
- Gravar a elevação instantânea da superfície, componentes de superfície inclinação ao longo- e direções de vento lateral, o Pitot tube saída monitorando a velocidade do vento média U, e a variação de tensão do controlador de ventilador para a amostragem prescrita taxa ( 300 Hz/canal foram usados).
Nota: A tensão da onda-bitola adquirida pelo programa é convertida automaticamente para a elevação da superfície através dos coeficientes de calibração do ajuste apresentado na Figura 3. - Continue a amostragem por tempo suficiente gravar o campo de onda decadente após o desligamento do ventilador.
- Após a conclusão da amostragem, certifique-se que o procedimento experimental automático permite tempo suficiente (dependendo do sistema) para trazer a superfície da água à condição intacta antes do início da próxima execução.
- Salve todos os dados gravados para processamento posterior.
- Execute o número prescrito de realizações (geralmente 100 execuções independentes foram encontradas suficientes).
- Calcule os parâmetros ensemble-a média dos dados gravados, como uma função do tempo decorrido desde o início do soprador.
- Repita todo o procedimento para a configuração próxima do soprador correspondente à velocidade de vento alvo selecionado na seção de teste.
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Representative Results
Os resultados representativos ensemble-em média, são plotados na Figura 6, Figura 7e Figura 8. A variação dos valores RMS da elevação da superfície instantânea <η2>1/2 que caracteriza a amplitude das ondas vento aleatório como apresentado na Figura 6 , em função do tempo decorrido desde a iniciação do soprador. Os resultados são apresentados para 3 distâncias desde o wavemaker, xe para velocidades de vento de três alvo, U.
Para buscar fixo x, as amplitudes de onda característico de quase constante estado de equilíbrio aumentam com a velocidade do vento, U; no entanto, a duração necessária para atingir o valor quase constante de <η2>1/2 após a iniciação do ventilador não parece depender fortemente U em qualquer determinado x. Os valores de equilíbrio das amplitudes de onda característicos para um valor-alvo constante do vento forçando U aumentam com busca. Observe também que a variação da taxa de mudança de <η2>1/2 é identificável em cada curva plotada na Figura 6, sugerindo claramente que estágios distintos existem no crescimento vento-ondas processo. O ensemble-a média de valores RMS do vento e componentes de inclinação de vento lateral, <ηx2>1/2 e <ηy2>1/ 2, são plotados na Figura 7 para duas buscas e dois valores da velocidade do vento U.
É evidente a partir da comparação da Figura 6 e Figura 7 que o tempo característico escalas de variação de ambos os componentes de superfície de inclinação são notavelmente mais curtas do que as escalas correspondentes da variação da elevação da superfície. Os valores quase constantes de <ηx2>1/2 e <ηy2>1/2 são da mesma ordem de magnitude, embora a característica pistas na direção do vento são menores do que as pistas em direção ao longo-vento. Estes resultados indicam que o vento-ondas são Maria-cavaleira e tridimensional. Os valores de inclinação característicos em ambas as direções sob vento quase constante forçando parecem ser essencialmente independente de busca x, mas aumentam com a velocidade do vento U. Um olhar mais atento a variação temporal dos componentes dois inclinação para fixo x e U revela que o aumento inicial <ηx2>1/2 é consistentemente e notavelmente mais rápido do que o de <ηy2>1/2. Assim, durante a fase inicial do crescimento das ondas iniciais que aparecem na superfície de águas calmas, com a ativação do vento, eles podem ser vistos como aproximadamente bidimensional. Este estágio dura apenas uma fração de um segundo; no entanto, é importante ressaltar que a tridimensionalidade essencial do campo de onda desenvolve-se com um certo atraso.
O comportamento do campo de onda após o desligamento do ventilador é mostrado na Figura 8. As ondas restante do reservatório deteriorado rapidamente, efetivamente desaparecer após cerca de 1 min.
Figura 6. Variação temporal do RMS da elevação superfície. A figura demonstra que as escalas de tempo de variação da altura de onda característico representado por <η2>1/2 dependem da velocidade do vento alvo U e a busca, x. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. Variação com o tempo do RMS dos componentes do vento/Cruz-vento superfície inclinação. o ensemble-a média de valores RMS do vento e componentes de inclinação de vento lateral, <ηx2>1/2 e <ηy2>1/2, são plotadas aqui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8. Decadência da vento-onda arquivado após o desligamento do ventilador. O ensemble-a média de valores RMS do vento e os componentes de inclinação de vento lateral, <ηx2>1/2 e <ηy2>1/2, são plotados na Figura 7 para duas buscas e dois valores da velocidade do vento U. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Complementar Figura 1: software Custom-Built-interface do usuário para aquisição de dados. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
O presente protocolo experimental destina-se a caracterização quantitativa de um campo de onda sob vento instável forçando que evolui no tempo e no espaço. Desde que o vento-ondas são essencialmente aleatórios e tridimensional e assim variam rapidamente no tempo e no espaço, registros de realizações individuais de um campo de vento-onda crescente sob dependente do tempo vento forçando só podem fornecer estimativas qualitativas dos governantes parâmetros de onda. Para atingir o objetivo do presente protocolo e obter as características de onda estatisticamente confiável e busca-dependente do tempo, tempo-resolvido ensemble com média de numerosas pistas experimentais com um idêntico padrão de variação de vento no tempo deve ser aplicado. Desde que a acumulação dessas informações detalhadas e extensas para velocidades de vento de destino diferente e buscas é extremamente demorada, o procedimento experimental tem que ser automatizado e suficientemente flexível para permitir ajustes necessários para diferentes forçando as condições de vento. O melhor de nosso conhecimento, o procedimento experimental descrito neste manuscrito que é capaz de fornecer parâmetros de campo diversas estatísticas de onda sob vento variável forçando com resolução temporal e espacial foi largamente disponível até agora.
Note que a duração dos experimentos necessários para efectuar medições de vento-onda em uma onda de laboratório tanque aumenta significativamente com o tamanho da instalação. Isto é parcialmente porque a duração da fase de crescimento de onda aumenta com busca (ver Figura 6). Os comprimentos de onda e períodos também crescem com busca17,21,23,24, assim para acumulados dados estatisticamente representativos, a duração do experimento em cada corrida tem que ser longo em comparação com o período correspondente de onda dominante. Realizações individuais em buscas significativamente mais do que aqueles utilizados no presente estudo, portanto, têm de ser mais longas. Ainda mais importante, os comprimentos de onda mais longos animado pelo vento em qualquer instalação experimental são da ordem do comprimento característico do tanque. As ondas residuais remanescente no tanque após o desligamento do vento em uma facilidade maior, portanto, exigem tempos mais longos de sua decadência. O intervalo entre as execuções consecutivas em um tanque maior do vento-onda necessário para retornar para a superfície da água não perturbadas, portanto, deve ser considerável mais do que o intervalo de seis minutos, empregado em nossos experimentos.
A abordagem geral descrita acima pode ser aplicada para uma variedade de vento constante e instável, forçando as condições. Neste manuscrito, a variação temporal de vento forçar foi selecionada com o objetivo de permitir a acumulação de um conjunto suficiente de dados para o estudo de campo de onda instável sob vento efetivamente impulsivo forçando e desligamento, bem como sob o vento constante forçando. Para este efeito, o cuidado foi tomado para garantir que a superfície da água era calmo e imperturbável antes do início de cada execução experimental. Em cada iteração, o vento quase impulsivamente foi iniciado pelo ventilador e, em seguida, a taxa de fluxo de ar manteve-se constante por um tempo suficientemente longo (2 min nas experiências presentes), após o qual o ventilador foi fechado. Esta abordagem permite estudar separadamente temporalmente em evolução campos de vento-onda crescente a partir da superfície da água inicialmente calmo ao estado quase constante em determinada velocidade busca e vento e, em seguida, a característica das ondas sob vento constante forçando e finalmente o decadência das ondas, uma vez que o vento forçando é abruptamente interrompido.
A duração de cada realização individual no presente estudo que contém a período de calma, portanto, exceder 8 min. Portanto, experiências em que dados são acumuladas para 100 independente é executado em uma única busca e velocidade do vento alvo durar cerca de 15 horas (incluindo a duração do procedimento de calibração de calibre de onda). É óbvio que para tal um esforço ser bem sucedido, é imperativo que todo o procedimento experimental pode ser realizado automaticamente, ou seja, completamente sem intervenção humana.
Assim, convém salientar que tanto o tamanho modesto de nossas instalações e os procedimentos de medição e calibração totalmente automatizados foram cruciais para a implementação da abordagem experimental adotada. Enquanto os resultados detalhados sobre a evolução do campo de vento-onda sob forçando instável serão apresentados no futuro em outro lugar, é evidente da Figura 6, Figura 7e Figura 8 essa informação anteriormente indisponível por multa detalhes de a evolução do vento-onda é acumulada no presente estudo. Esta informação será usada para validar a diferentes modelos teóricos que tratam da excitação de ondas pelo vento,1,2,3,4,5,24.
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Disclosures
Os autores não têm nada a divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pela 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
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