Summary
Detta manuskript beskriver helt datorstyrda förfarandet som tillåter att erhålla tillförlitliga statistiska parametrar från experiment vatten vågor upphetsad av stadig och ostadig vind tvingar i en småskalig anläggning.
Abstract
Detta manuskript beskriver en experimentell förfarande som tillåter att erhålla olika kvantitativa information om tidsmässiga och rumsliga evolution vatten vågor upphetsad av tidsberoende och stadig vind tvingar. Kapacitans-typen wave mätare och Laser lutning spårvidd (LSG) används för att mäta ögonblicklig vatten ytan höjd och två komponenter av momentana ytan sluttar på ett antal platser längs avsnittet test av vind-wave anläggning. Datorstyrda fläkten ger luftflöde över vattnet i tanken vars kurs kan variera i tid. I de nuvarande experiment ökar vindhastigheten i avsnittet test initialt snabbt från resten till inställt värde. Det hålls sedan konstant för den föreskrivna varaktigheten; Slutligen, luftflödet är avstängd. I början av varje experimentella körning, vattenytan är lugnt och det finns ingen vind. Drift av fläkten initieras samtidigt med förvärvet av uppgifter från alla sensorer av en dator. datainsamling pågår tills vågorna i tanken helt förfalla. Flera oberoende körningar utförda på identiska tvingar villkor tillåta att fastställa statistiskt tillförlitliga ensemble-genomsnitt karakteristiska parametrar som kvantitativt beskriva vinden-vågor variation i tid för första utvecklingsstadiet som en funktion av fetch. Förfarandet kan också karaktärisera rumsliga utvecklingen av fältet våg under stadig vind tvingar, liksom sönderfall av vågor i tid, när vinden är avstängd, som en funktion av fetch.
Introduction
Sedan urminnes tider, har det varit väl känt att vågor på vattenytor exciteras av vinden. Aktuell kunskap om de fysiska mekanismer som styr denna process är långt ifrån tillfredsställande. Många teorier försöker beskriva vinden-våg generation föreslogs över år1,2,3,4, men deras pålitliga experimentell validering inte är ännu tillgängliga. Mätningar av slumpmässiga vind-vågor i havet är extremt utmanande på grund av oförutsägbara vinden som kan variera snabbt i riktning såväl som i storleksordning. Laboratorieförsök har fördelen av kontrollerbara villkor som möjliggör långvarig och repeterbara mätningar.
Under stadig vind tvingar i laboratoriemiljö, utvecklas vind-vågor i rymden. Tidiga laboratorieexperiment på vågor under stadig tvingar var utförts decennier sedan begränsade till momentana ytans höjd mätningar5,6,7,8. Nyare studier också anställd olika optiska tekniker för att mäta ögonblicklig vatten körbanans lutning vinkel, t ex LSG9,10. Dessa mätningar tillåtet att få några begränsade kvalitativ information om vind-wave fält tredimensionella struktur. När vinden tvingar är instabil, som i fältexperiment, introduceras ytterligare komplexitet på problemet med vattenvågor excitation av vinden, eftersom de statistiska parametrarna i fältet resulterande våg varierar inte bara i rymden utan i tid liksom. De försök som hittills gjorts att beskriva våg evolution mönster kvalitativt och kvantitativt under tidsberoende tvingar var bara delvis framgångsrik11,12,13,14 , 15 , 16. olika rimliga fysiska mekanismer som kan leda till magnetiseringen relativa bidrag och tillväxt av vågor på grund av vind åtgärder förblir i stort sett okända.
Våra experimentanläggning utformades med syfte att aktivera ansamling av korrekt och olika statistiska uppgifter om variationen av vind-wave fältegenskaper under antingen stabil eller ostadig vind tvingar. Två stora faktorer underlättats dessa detaljerade undersökningar. Först, den blygsamma storleken anläggning resultaten i relativt korta karaktäristiska evolution skalor i tid och rum. Det andra är hela experimentet helt styrd av en dator, vilket möjliggör prestanda för experimentell körningar under olika experimentella förhållanden automatiskt och praktiskt taget utan mänsklig inblandning. Dessa funktioner av experimentella set-up är av avgörande betydelse i att utföra experiment på vågor upphetsad från resten av impulsiva vind.
Rumsliga tillväxt av vind-vågor under stadig tvingar har studerats i vår anläggning för en rad lindar hastigheter17. Resultaten jämfördes med tillväxt takt uppskattningar baserade på Miles18 teorin som presenterades av växten19. Jämförelsen visade att experimentella resultat skiljer sig främst från den teoretiska förutsägelser. Ytterligare viktiga parametrar var också införskaffad i17, såsom genomsnittlig tryckfall i avsnittet test, och den absoluta värden samt faser av karakteristiska statiskt tryck fluktuationer. Skjuvspänningen på gränssnittet luft-vatten är viktigt för karakterisering av rörelsemängd och energi överföring mellan vind och vågor17,19. Därför detaljerade mätningar av logaritmisk gränsskikt och de turbulenta variationerna i luftflödet ovanför vatten vågor framfördes på många hämtningar och lindar hastigheter20. Värdena av friktion hastighet u* på det luft-vatten-gränssnittet som fastställs i denna studie användes för att erhålla dimensionslös statistiska parametrar av vind-vågorna mätt i vår anläggning21. Värdena jämfördes med motsvarande dimensionslösa parametrar erhålls i större experimentella anläggningar och fältexperiment. Det visades tidigare21 att med rätt skalning, de viktiga egenskaperna för fältet vind-våg erhålls i vår småskaliga anläggning inte skiljer sig avsevärt från motsvarande data ackumuleras i större laboratorium installationer och öppna havet mätningar. Parametrarna inkluderar rumsliga tillväxt av representativa våghöjd och våglängd, form av frekvensspektret av ytans höjd, samt värden för högre statistisk stunder.
Efterföljande studierna utförs i vår anläggning22,23 visade att vinden vågor är i huvudsak slumpmässigt och tredimensionell. För att få en bättre inblick i 3D-strukturen för vind vågor, gjordes ett försök att utföra kvantitativa tidsberoende mätningar av vatten ytan höjd över det utökade området använda stereo video tänkbar22. På grund av otillräcklig datorkraft på nuvarande och bearbetning algoritmer som ännu inte är tillräckligt effektivt, dessa försök visat sig vara endast delvis framgångsrika. Emellertid var det visat att kombinerad användning av en konventionell kapacitans-typen wave mätare och LSG ger värdefull information om det rumsliga strukturerar av vind vågor. Samtidig tillämpning av båda dessa instrument möjliggör oberoende mätningar med hög temporal upplösning av den momentana yta höjden och av de två komponenterna i den momentana ytan sluttar23. Dessa mätningar kan uppskattning av både dominerande frekvens och dominerande våglängd av vågorna, samt att ge insikt i våg strukturen i riktningen som är normala för vinden. Ett pitotrör, som kan flyttas vertikalt genom en datorstyrd motor, kompletterar uppsättningen sensorer och används för mätningar av lindahastigheten.
Alla dessa studier som gjort klart att slumpmässighet och tredimensionalitet vind vågor resultera i betydande variabilitet av uppmätta parametrar även för stadig vind tvingar och en enda mätning läge. Således, långvarig mätningar med varaktighet proportion med karakteristiska tiden skalor i fältet uppmätta våg behövs för att samla tillräcklig information för att extrahera tillförlitliga statistiska kvantiteter. För att få värdefulla fysiska insikt om de mekanismer som styr rumsliga variationen i fältet våg, är det absolut nödvändigt att utföra mätningar på många platser och för så många värden vinden flödet som möjligt i avsnittet test. För att uppnå detta mål, är det därför önskvärt att tillämpa en automatiserad experimentell förfarande.
Experiment på vågor upphetsad av ostadig vind tvingar införa ytterligare en nivå av komplexitet. I sådana studier är det absolut nödvändigt att relatera momentant uppmätta parametrarna till den momentana nivån av vindhastigheten. Överväga experiment på vågor glada från resten av en nästan impulsiva vinden tvinga som ett viktigt exempel. I det här fallet behövs många oberoende mätningar i fältet vind-våg utvecklas under inverkan av vind som varierar i tiden efter den samma föreskrivna mönster24. Meningsfull statistiska parametrar, uttryckt som en funktion av tiden som förflutit sedan inledandet av luftflöde, beräknas sedan genom genomsnitt data extraheras från den ackumulerade ensemblen av oberoende genomföranden. Detta åtagande kan innebära tiotals och hundratals timmar av kontinuerlig provtagning. Den totala varaktigheten för experimentell sessioner krävs för att utföra en så ambitiös uppgift återger det hela tillvägagångssättet ogenomförbara, såvida inte experimentet är helt automatiserad. Inget sådant helt datoriserad experimentell förfarande i vinden-wave faciliteter har utvecklats fram till nyligen. Det är bland de viktigaste orsakerna till bristen på tillförlitliga statistiska uppgifter om vind vågor under ostadig tvingar.
Eftersom anläggningen används för experimentet inte är konstruerade från kommersiellt tillgängliga, off-the-shelf hårdvara, en kort beskrivning av dess huvuddelar finns här.
Figur 1. Schematiska (inte att skala) syn på experimentanläggning. 1 - fläkt; 2 - inflöde lösa kammaren. 3 - utflöde lösa kammaren. 4 - ljuddämpare lådor; 5 - test avsnitt; med en 6 - stränder; 7 - värmeväxlare; 8 - honeycomb; 9 - munstycke; 10 - wavemaker; 11 - flap; 12 - instrument befordringsavtalet, 13 - wave mätare drivs av en stegmotor; 14 - pitotrör drivs av en stegmotor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Experimentell anläggningen består av en sluten slinga vindtunnel monterad över en våg tank (en schematisk vy visas i figur 1). Avsnittet test är 5 m långa, 0,4 m breda och 0,5 m djup. Den sidoväggar och golv är tillverkade av 6 mm tjockt glasplattor och är innesluten i en ram av aluminiumprofiler. En 40 cm lång luckan ger en smidig utbyggnad av luftflöde tvärsnitt från munstycket till bevattna ytbehandlar. Vågenergi absorberande beach tillverkade av porösa förpackningsmaterial är beläget vid den bortre änden av tanken. En datorstyrd fläkt tillåter att uppnå genomsnittliga luft strömningshastighet i avsnittet testa upp till 15 m/s.
Skräddarsydda kapacitans-typ 100 mm lång våg mätaren är gjord av anodiserat tantal. 0,3 mm wire monteras på en vertikal scen som drivs av en PC-kontrollerade steg motor avsedd för våg mätarens kalibrering. En Pitot-rör med en diameter på 3 mm används för mätning av det dynamiska trycket i centrala luftflöde delen av avsnittet test.
LSG, mäta momentan 2D vatten ytan sluttar, installeras på en ram som lossnat från avsnittet test som kan placeras på valfri plats längs tanken (figur 2). LSG består av fyra huvuddelar: en laserdiod, en fresnellins, en diffus skärm och en Position Sensing detektor (PSD) församling. Den laser-dioden genererar en 650 nm (röd), 200 mW fokuserbara laserstråle med diameter på ca 0,5 mm. 26,4 cm diameter Fresnel lins med brännvidden 22,86 cm dirigerar inkommande laserstrålen till 25 x 25 cm2 diffus skärmen ligger i tillbaka fokalplanet av linsen.
Figur 2. Schematisk vy av Laser lutning Gauge (LSG). 1 - laserdiod; 2 - Fresnel lins; 3 - diffus skärm; 4 - position Sensor detektor (PSD). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Det här protokollet beskriver det förfarande som tillåter utför experiment där många parametrar som kännetecknar ostadig vågor mäts samtidigt under tidsberoende vinden tvingar. Förfarandet kan justeras till någon önskad beroendet av lindahastigheten på tid som kan uppnås med hänsyn till de tekniska begränsningarna av experimentanläggning. Protokolls beskriver specifikt experiment som i varje insikten, vinden börjar nästan impulsivt över inledningsvis lugna vatten. Stadig vinden tvingar sedan varar för länge nog att uppnår fältet vind-wave överallt i avsnittet test kvasi steady state. Vinden är så småningom stänga ner, igen nästan impulsivt. I alla skeden lagras flera våg parametrar. Det förfarande som tillåter beräkning av många statistiskt representativa ensemble-genomsnitt kvantiteter kännetecknar fältet momentana lokal vind-wave är roman, och utvecklades under senaste experiment som utförs i vår anläggning 22 , 23 , 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. system Preparation
- Fyll tanken med vatten upp till ett djup av ca 20 cm uppfylla deep-water villkor; rengöra vattenytan av eventuella föroreningar som kan påverka ytspänningen.
- Placera instrumentet transport vid önskad Hämta.
- Montera pitotrör och placera det i mitten av luftflöde delen av avsnittet test.
- Montera våg mätaren på en dator-kontrollerade vertikala scenen för att aktivera dess statiska kalibrering.
- Ställning LSG montering på önskad hämta och laterala avstånd av ca 7 cm från wave mätaren att eliminera störningar av vågen mätare montering med den optiska vägen.
Obs: Användning av en ogenomskinlig gardin rekommenderas att förhindra exponering av PSD till omgivande ljus, samt för att skydda miljön från falska reflektioner av laserstrålen.- Justera lasern placerad nedanför vattenbehållaren så att strålen riktas vertikalt och fokusera strålen.
- Ställning den fresnel linsen inom avsnittet test så högt som möjligt ovanför vattenytan att minimera objektivets störning av luftflödet.
- Kontrollera att utbuktande laserstrålen träffar linsen i sin centrala del under extrema vindförhållanden planeras i experimentell session.
- Montera diffus skärmen exakt på fokalplanet av linsen, så kolla den horisontella och vertikala justeringen av både objektivet och skärmen.
- Se till att alla två parallella vertikala laserstrålar slog diffus skärmen exakt i centrum när vattenytan är fortfarande.
Obs: Detta kan testas med hjälp av två identiska lasrar placerade på ett visst avstånd från varandra. - Placera PSD se till att hela området av diffus skärmen är inom den effektiva arean av detektorn. Utföra fokusering av PSD linsen genom att justera linsen inställningarna till det faktiska avståndet mellan linsen och skärmen.
2. kalibrering och drift av sensorer
-
Kalibrering av vågen mätaren
- Kalibrering våg mätare för varje mätning läge och varje maximal lindahastigheten som förväntat i den experimentella kör.
- Ange den lodräta placeringen av sensorn så att den genomsnittliga Vattennivån är ungefär i mitten av fjärranalys trådarna längd.
- Ange vindhastigheten till önskat värde, och låta vinden blåsa stadigt under tillräckligt lång tid (2-3 min).
- Med ett oscilloskop, manuellt justera känslighet, gain och offset våg mätarens använder balsam enheten så att de spänningsvärden som motsvarar högsta krönet och det lägsta tråg som förväntat i fältet våg är inom spänna av den A/D omvandlare (+/-10 V).
- Stäng av fläkten i flera minuter, tills vattenytan blir helt ostört.
- Kontrollera att nedsänkt längd är inom beräknade maximala crest och dalvärden genom att flytta våg mäta vertikalt.
- Utföra automatisk kalibrering av vågen mätaren använder en skräddarsydd rutin i stilla vatten dränka mätaren på ett antal angivna djupet och inspelning den genomsnittliga spänningsutgång under 5 s för varje djup.
- Passa en kvadratisk kalibrering polynom till inspelade data att erhålla beroendet H(V), där H är nersänkning djup (motsvarande den momentana yta höjden), som en funktion av mätare utspänningen V.
- Kontrollera visuellt kvaliteten på monterade kalibreringen polynom (figur 3).
- Kalibrering våg mätare för varje mätning läge och varje maximal lindahastigheten som förväntat i den experimentella kör.
Figur 3. Kalibreringskurvan våg mätaren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
-
Kalibrering och justering av LSG
- Kontrollera prestanda för LSG efter varje förflyttning av sensorn församlingen.
- Använder en optisk kil Prisma placeras på en horisontell glasskiva, avvika laserstrålen med avseende på den optiska axeln som simulerar en kända vatten ytan lutning.
- Prov PSD utgångar av avvek laserstrålen plats vid diffus skärmen med hjälp av ett oscilloskop eller ett specialbyggt data förvärv program.
- Beräkna den balk utböjning vinkeln och lutningen från uppmätta samordna laser beam spot koordinaten; jämföra resultatet med den kända kil vinkeln.
- Upprepa proceduren för flera nedböjning vinklar med hjälp av en eller flera prismor.
Obs: Kil prismor med utböjning vinklar alltifrån 2,5 ° till 17,5 ° användes; om testet misslyckas på grund av snedställning av PSD med diffus skärmen, justera PSD manuellt, för att korrigera för förskjutning. Denna procedur utförs manuellt med en 2D horisontella översättning scenen och en nivå och är mycket tidskrävande.
-
Verifiering av linjäritet för PSD- och kalibrering
- Placera en jämnt fördelade rutnät som har skrivits ut på ett öppet blad på skärmen diffus och orientera det så att dess axlar, x och y, justeras med down och gränsöverskridande vindriktningar, respektive (figur 4).
Obs: Rutnätet underlättar rikta strålen så att de önskade platserna på skärmen diffus bekvämt och exakt med hjälp av prismor eller flytta lasern nedanför skärmen diffus i längs-vind- och sidvind riktningar. - Använda uppsättningen prismor, avleda vertikala laserstrålen för att få flera radiella positioner av laserstrålen fläck på diffus skärmen samtidigt som en konstant azimuthal vinkel.
Obs: Upplösning av 1 cm och maximal radie av 7 cm används för varje 9 azimuthal vinklarna. - Flytta laser plats till flera positioner i x-riktning, samtidigt hålla y samordna konstant, och sedan ändra riktning på rörelsen till yoch hålla x konstant.
Obs: Utbud och upplösning som används är liknande till de från föregående avsnitt. - Samla ca 50 poäng på rutnätet i varje kalibrering.
Obs: Laser beam spot koordinaterna förvärvas av PSD och utvärderas med en standard två-kanals oscilloskop ansluten till PSD.- För varje riktning passar användning linjära data ge kalibrering koefficienterna för att konvertera koordinaterna för laserstrålen på PSD sensorn till motsvarande koordinater på skärmen diffus.
Obs: Ett exempel på PSD kalibreringen ritas i figur 5 för en uppsättning punkter tas längs mittlinjen av avsnittet test. Svaret från sensorn, och därmed koefficienterna som kalibrering, är nästan identiska i alla riktningar när axlarna av skärmen diffus och sensorn har justerats ordentligt. Rutnätet underlättar kalibreringen, möjliggör en enkel bestämning av laser lutning koordinaterna på skärmen diffus.
- För varje riktning passar användning linjära data ge kalibrering koefficienterna för att konvertera koordinaterna för laserstrålen på PSD sensorn till motsvarande koordinater på skärmen diffus.
- Placera en jämnt fördelade rutnät som har skrivits ut på ett öppet blad på skärmen diffus och orientera det så att dess axlar, x och y, justeras med down och gränsöverskridande vindriktningar, respektive (figur 4).
- Kontrollera prestanda för LSG efter varje förflyttning av sensorn församlingen.
Figur 4. Diffus skärmgallret. Rutnätet underlättar rikta strålen så att de önskade platserna på skärmen diffus bekvämt och exakt, antingen med en uppsättning prismor eller flytta lasern nedanför skärmen diffus i längs-vind och sidvind riktningar Klicka vänligen här för att Visa en större version av denna siffra.
Figur 5. PSD kalibreringskurvan. Figuren visar att översättningen av PSD utgående spänning till koordinater ger tillfredsställande resultat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3. experimentell förfarande och datainsamling
Obs: Se kompletterande Figur1 för användargränssnittet används i följande steg.
- Ställ in fläkten frekvens med ett specialbyggt program användargränssnitt.
Obs: Nästan stegvis ökning av lindahastigheten över initialt opåverkade vattenytan var tillämpas, följt av en stadig luftmängd för en föreskriven längd (120 s), och en nästan impulsiva som stänger av fläkten. - Bestämma antalet olika stadig vind flöden och inställningarna som krävs fläkt.
- Justera trycket givare till det förväntade intervallet dynamiska tryckvariationer som upptäckts av pitotrör.
- Se till att i början av varje genomförande, det finns ingen vind och vattenytan är opåverkade (spegel slät). Börja datainsamling synkront med drift av fläkten.
- Registrera den momentana yta höjd, ytans lutning komponenter i längs- och sidvind riktningar, Pitot rör produktionen övervakning betyder lindahastigheten Uoch spänning variationen från fläkt controller på föreskrivna provtagning Betygsätt () 300 Hz/kanal användes).
Obs: Spänningen från wave-gauge förvärvats av programmet konverteras automatiskt till ytan höjd med hjälp av kalibrering koefficienter från passformen presenteras i figur 3. - Fortsätt provtagning tillräckligt länge att spela in fältet ruttnande våg efter avstängning av fläkten.
- Efter avslutad provtagning, se till att förfarandet för automatisk experimentell möjliggör tillräcklig tid (beroende på system) för att föra vattenytan ostört tillstånd före inledandet av nästa körning.
- Spara alla inspelade data för efterföljande bearbetning.
- Utföra föreskrivna antalet genomföranden (vanligtvis 100 oberoende körningar hittades tillräckligt).
- Beräkna parametrarna ensemble-genomsnitt av de registrerade uppgifterna som en funktion av tiden som förflutit sedan inledandet av fläkten.
- Upprepa hela proceduren för nästa inställning av fläkten motsvarar valda målet lindahastigheten i avsnittet test.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representativa ensemble-medelvärde resultaten ritas i figur 6, figur 7och figur 8. Variationen i de RMS-värdena av momentana ytans höjd <η2>1/2 som kännetecknar amplituden av slumpmässiga vind vågor som presenteras i figur 6 som en funktion av tiden som förflutit sedan initiering av fläkten. Resultaten presenteras för 3 avstånd från wavemaker, x, och tre mål lindar hastigheter, U.
För fasta fetch x, öka jämvikt kvasi steady state karakteristiska våg amplituderna med lindahastigheten U; varaktighet behövs dock för att uppnå det quasi stadiga värdet <η2>1/2 efter inledandet av fläkten inte verkar beror starkt på U på någon given x. De jämvikt värdena av karakteristiska våg amplituderna för en konstant målvärdet för vinden tvingar U ökar med fetch. Observera också att variationen i graden av förändring av <η2>1/2 kan identifieras i varje kurva ritas i figur 6, tyder klart på att olika faser finns i vinden-vågor tillväxten processen. Den ensemble-genomsnitt RMS-värden av undanvind och sidvind slope-komponenter, <ηx2>1/2 och <ηy2>1/ 2, är ritade i figur 7 för två hämtningar och två värden av lindahastigheten U.
Det framgår av en jämförelse mellan figur 6 och figur 7 att den karakteristiska tid fjäll av variant av båda surface slope-komponenter är särskilt kortare än motsvarande skalor av ytans höjd variationen. Kvasi stadig värdena för <ηx2>1/2 och <ηy2>1/2 är av samma storleksordning, även om karakteristiskt backarna i sidvind riktning är mindre än i backen i längs-vindriktningen. Dessa resultat indikerar att vind-vågor är kort-crested och tredimensionell. De karakteristiska lutning värdena i båda riktningarna under kvasi stadig vind tvingar verkar vara väsentligen oberoende av fetch x, men öka med lindahastigheten U. En närmare titt på tidsmässiga variationen av två lutning komponenter för fast x och U visar att initiala ökningen i <ηx2>1/2 är konsekvent och framför allt snabbare än <ηy2>1/2. Således under ett mycket tidigt skede av tillväxt i de inledande krusningar som visas på den lugna vattenytan med aktiveringen av vind, kan de ses som ungefär tvådimensionella. Detta stadium varar bara för en bråkdel av en sekund; Det är dock viktigt att betona att den väsentliga tredimensionalitet i fältet våg framkallar med en viss fördröjning.
Uppförandet av fältet våg efter avstängning av fläkten är visas i figur 8. Vågorna kvar i tanken skämda snabbt, effektivt försvinner efter ca 1 min.
Figur 6. Temporal variation av RMS av ytans höjd. Figuren visar att tidrymden av variation av den karakteristiska våghöjden som representeras av <η2>1/2 beror på målet lindahastigheten U och den fetch x. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Variation med tiden av RMS undanvind/cross-wind ytan sluttar komponenter. Den ensemble-genomsnitt RMS-värden av undanvind och sidvind slope-komponenter, <ηx2>1/2 och <ηy2>1/2, ritas här. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Förfall av vind-vinka in efter avstängning av fläkten. Den ensemble-genomsnitt RMS-värden av undanvind och sidvind slope-komponenter, <ηx2>1/2 och <ηy2>1/2, är ritade i figur 7 för två hämtningar och två värden av lindahastigheten U. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande Figur1: specialbyggda programvara användargränssnitt för dataförvärv. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta experimentella protokoll syftar kvantitativa karakterisering av en våg fältet under ostadig vind tvingar som utvecklas i tid och rum. Eftersom vinden-vågor är i huvudsak slumpmässigt och tredimensionella, och därför kan variera snabbt i tid och rum, kan register över enskilda genomföranden av en ökande vind-wave fältet under tidsberoende vinden tvingar endast ge kvalitativa uppskattningar av de styrande Wave parametrar. För att uppnå målet med detta protokoll och få statistiskt säkerställda och fetch-tidsberoende våg egenskaper, löst tid-ensemble genomsnitt av talrika experimentella körningar med ett identiskt mönster av wind variation i tid måste tillämpas. Eftersom ackumulering av sådan detaljerad och omfattande information för olika mål lindar hastigheter och hämtar är extremt tidskrävande, måste experimentella förfarandet vara automatiserad och tillräckligt flexibel för att tillåta nödvändiga justeringar för olika vind som tvingar villkor. Till bäst av vår kunskap var experimentell proceduren som beskrivs i detta manuskript som klarar ge olika statistiska våg fältet parametrar under varierande vind tvingar med temporal och spatial upplösning till stor del inte tillgänglig förrän nu.
Observera att varaktigheten av experiment krävs vind-wave mätningar i ett laboratorium våg tank ökar betydligt med storleken på anläggningen. Detta är delvis eftersom varaktigheten av den våg tillväxtfas ökar med fetch (se figur 6). De våglängder och perioderna också växa med fetch17,21,23,24, således för ackumulera statistiskt representativa uppgifter, varaktigheten av experimentet i varje kör har till vara lång jämfört med motsvarande dominerande våg period. Enskilda genomföranden på hämtningar betydligt längre än de anställda i den aktuella studien har således vara långdraget. Ännu viktigare, de längsta våglängderna upphetsad av vinden i någon experimentanläggning är i storleksordningen karakteristiska längden av tanken. Kvarstående vågorna kvar i tanken efter stängningen av vinden i en större anläggning således kräver längre tid för deras förfall. Intervallet mellan på varandra följande rundorna i en större vind-wave tank krävs att återvända till ostörd vattenytan måste därför avsevärt längre än sex minuter intervallet anställda i våra experiment.
Den allmänna strategi som beskrivs ovan kan användas för en mängd stadig och ostadig vind tvingar villkor. I detta manuskript valdes den temporala variationen av vinden tvingar med målet att möjliggöra ansamling av en tillräcklig mängd data att studera ostadig våg fältet under effektivt impulsiva vinden tvingar och avstängning samt under stadig vind tvingar. Därför var man säkerställa att vattenytan var lugn och ostörd före inledandet av varje experimentella körning. I varje iteration, vinden var nästan impulsivt Startat av fläkten, då luftflödet varit konstant under tillräckligt lång tid (2 min i nuvarande experiment), varefter fläkten stängdes. Detta tillvägagångssätt gör att studera separat temporally föränderliga vind-wave fälten växer från början lugna vattenytan till kvasi stadig staten vid den givna fetch och vind hastigheten, sedan kännetecken av vågor under stadig vind att tvinga, och slutligen de sönderfallet av vågor när plötsligt vinden tvingar stängs.
Varaktigheten av varje individuell insikt i den aktuella studien som innehåller lugna ner period därmed överstiger 8 min. Därför ackumuleras experiment i vilka data för 100 oberoende körs på en enda hämtning och målet lindahastigheten sist nästan 15 timmar (inklusive varaktigheten av förfarandet våg mätarens kalibrering). Det är uppenbart att för sådan en strävan att bli framgångsrika, är det absolut nödvändigt att hela experimentella förfarandet kan utföras automatiskt, dvs helt utan mänsklig inblandning.
Det således understrykas att både blygsamma storleken på vår anläggning och helautomatisk mätning och kalibrering förfaranden var avgörande för genomförandet av de antagna experimentell metoden. Medan detaljerade resultat på vind-wave fältet utvecklingen under ostadig tvingar kommer att presenteras i framtiden någon annanstans, det framgår av figur 6, figur 7och figur 8 tidigare otillgängliga informationen på fina Detaljer för vind-wave evolutionen är samlat i den aktuella studien. Denna information kommer att användas för att validera olika teoretiska modeller som behandlar excitation av vågor av vind1,2,3,4,5,24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna inte har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete fick stöd av Israel Science Foundation, grant nr 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).
