Summary
Dieses Manuskript beschreibt ein voll computergesteuertes Verfahren, das erlaubt die Erlangung zuverlässige statistische Parameter aus Experimenten von Wasserwellen angeregt durch stetige und unsteten Wind zu zwingen, in einer kleinen Anlage.
Abstract
Dieses Manuskript beschreibt ein experimentelles Verfahren, das erlaubt, verschiedene quantitative Informationen über zeitliche und räumliche Entwicklung von Wasserwellen begeistert von zeitabhängigen und stetigen Wind zwingt zu erhalten. Kapazität-Typ Welle Gauge und Laser Hang zu messen (LSG) werden verwendet, um Durchlauferhitzer Oberflächenhöhe und zwei Komponenten der momentanen Oberfläche Neigung an mehreren Orten entlang der Messstrecke einer Wind-Wellen-Anlage zu messen. Das computergesteuerte Gebläse bietet Luftstrom über dem Wasser in den Tank, dessen Preis in der Zeit variieren kann. In den heutigen Experimenten steigt die Windgeschwindigkeit in der Messstrecke zunächst schnell vom Rest auf den eingestellten Wert. Es wird dann für die vorgeschriebene Dauer konstant gehalten; zu guter Letzt wird der Luftstrom abgeschaltet. Am Anfang jeder einzelne Versuch die Wasseroberfläche ist ruhig und es gibt keinen Wind. Betrieb des Gebläses wird gleichzeitig mit dem Erwerb von allen Sensoren bereitgestellten Daten von einem Computer initiiert; die Datenerfassung wird fortgesetzt, bis die Wellen in den Tank vollständig zerfallen. Mehrere unabhängige Durchläufe durchgeführt unter identischen Bedingungen zwingen lassen Bestimmung statistisch zuverlässige Ensemble gemittelt charakteristische Parameter, die Wind-Wellen-Variation in der Zeit für die erste Entwicklungsphase als quantitativ beschreiben eine Funktion des Abrufs. Das Verfahren ermöglicht auch charakterisieren die räumliche Entwicklung der Wellenfeldsynthese unter stetigen Wind zwingt sowie Verfall der Wellen rechtzeitig, sobald der Wind, als eine Funktion des Abrufs heruntergefahren wird.
Introduction
Seit der Antike bereits bekannt, dass Wellen auf Wasseroberflächen durch Wind angeregt werden. Das gegenwärtige Verständnis der physikalischen Mechanismen, die diesen Prozess steuern ist alles andere als zufriedenstellend. Zahlreiche Theorien, die versuchen zu beschreiben, Wind-Welle-Generation wurden über die Jahre1,2,3,4, vorgeschlagen, aber ihre zuverlässige experimentelle Validierung noch nicht verfügbar ist. Messungen der zufälligen Wind-Wellen im Ozean sind extrem schwierig wegen unvorhersehbaren Wind, der schnell in Richtung ebenso wie in der Größe variieren. Laborexperimente haben den Vorteil von kontrollierbaren Bedingungen, die verlängerte und wiederholbare Messungen zu ermöglichen.
Unter beständiger Wind zwingt in der Laborumgebung entwickeln Wind-Wellen in Raum. Frühe Laborversuche auf Wellen unter stetigen zwingt wurden vor Jahrzehnten durchgeführt auf momentane Oberflächenhöhe Messungen5,6,7,8begrenzt. Neuere Studien beschäftigt auch verschiedene optische Verfahren zur Messung der Durchlauferhitzer Oberfläche Neigungswinkel, wie z. B. LSG9,10. Diese Messungen zulässig, dass immer einige qualitative Informationen über die dreidimensionale Struktur der Wind-Welle Felder begrenzt. Wenn Wind zwingt instabil ist, wie es in Feldversuchen, ist zusätzlicher Komplexität eingeführt, auf das Problem der Wasserwellen Erregung durch Wind, da der statistischen Kenngrößen der daraus resultierenden Wellenfeld nicht nur im Raum, sondern in der Zeit auch variieren. Die Versuche bisher, Wellenmuster Entwicklung unter zeitabhängige zwingt qualitativ und quantitativ zu beschreiben waren nur teilweise erfolgreich11,12,13,14 , 15 , 16. der relative Beitrag der verschiedenen plausibel physikalischen Mechanismen, die zur Erregung führen kann und das Wachstum der Wellen durch Wind-Wirkung ist weitgehend unbekannt.
Unsere Versuchsanlage wurde entwickelt mit dem Ziel, aktivieren die Anhäufung genauer und vielfältige statistische Informationen über die Variation der Wind-Welle Feldeigenschaften unter entweder stabil oder instationären Wind zwingt. Zwei wichtige Faktoren erleichtert diese detaillierte Untersuchungen. Erstens, skaliert die bescheidene Größe der Anlage führt zu relativ kurzen charakteristischen Evolution in Zeit und Raum. Zweitens wird das ganze Experiment vollständig durch einen Computer, wodurch die Leistung des experimentellen läuft unter verschiedenen experimentellen Bedingungen automatisch und praktisch ohne menschliches Zutun gesteuert. Diese Funktionen des experimentellen Aufbaus sind von entscheidender Bedeutung bei der Durchführung von Experimenten auf den Wellen vom Rest von impulsiven Wind begeistert.
Räumliche Entwicklung der Windwellen unter stetigen zwingen wurde in unserer Einrichtung für eine Reihe von Wind Geschwindigkeiten17untersucht. Ergebnisse wurden verglichen mit Wachstum Rate Schätzungen auf Basis der Miles18 Theorie als Anlage19vorgelegt. Der Vergleich ergab, dass die experimentellen Ergebnisse insbesondere die theoretischen Vorhersagen abweichen. Weitere wichtige Parameter wurden auch in erhaltenen17wie z.B. mittlere Druckabfall in der Messstrecke sowie die absoluten Werte und Phasen des charakteristischen statische Druckschwankungen. Die Schubspannung in der Luft-Wasser-Grenzfläche ist unerlässlich zur Charakterisierung von Impuls und Energie-Transfer zwischen Wind und Wellen17,19. Daher detaillierte Messungen der logarithmischen Grenzschicht und die turbulenten Schwankungen in den Luftstrom über dem Wasser Wellen wurden bei zahlreichen Abrufe durchgeführt und wind Geschwindigkeiten20. Die Werte für die Reibung Geschwindigkeit u* an der Luft-Wasser-Grenzfläche bestimmt in dieser Studie wurden zur dimensionslose statistische Kenngrößen der Windwellen, gemessen in unserer Anlage21zu erhalten. Diese Werte wurden mit der entsprechenden dimensionslose Parameter erhalten Sie in größeren experimentelle Installationen und Feldversuche verglichen. Es zeigte sich bisher21 , dass mit der richtigen Skalierung, die wichtigsten Merkmale des Feldes Wind-Welle in unserer kleinen Anlage erzielten deutlich aus den entsprechenden Daten unterscheiden sich nicht in größeren Labor angesammelt Installationen und Hochsee-Messungen. Diese Parameter umfassen räumliche Wachstum der repräsentativen Wellenhöhe und Wellenlänge, die Form der das Frequenzspektrum der DGM-Höhe, sowie die Werte der höhere statistische Momente.
Die nachfolgenden Untersuchungen in unserer Anlage22,23 zeigte, dass Windwellen im Wesentlichen zufällig und dreidimensional. Um einen besseren Einblick in die 3D-Struktur von Windwellen zu bekommen, wurde versucht, quantitative zeitabhängige Messungen der Oberflächenhöhe Wasser auf einer erweiterten Fläche mit Stereo-video imaging22durchzuführen. Aufgrund unzureichender Rechenleistung vorhanden und Verarbeitung Algorithmen, die noch nicht ausreichend wirksam sind, erwies sich diese Versuche nur teilweise erfolgreich. Jedoch wurde es gezeigt, dass die kombinierte Verwendung von einem konventionellen Kapazität-Typ Welle Messgerät und die LSG wertvolle Informationen über die räumliche Struktur der Windwellen liefert. Gleichzeitige Anwendung dieser beiden Instrumente ermöglicht unabhängige Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung von der momentanen DGM-Höhe und der beiden Komponenten der momentanen Oberfläche Piste23. Diese Messungen erlauben Schätzung der dominierenden Frequenz und dominante Wellenlänge von den Wellen, als auch Einblicke in die Wellen-Struktur in der Richtung senkrecht zum Wind. Ein Staurohr, die durch einen computergesteuerten Motor vertikal bewegt werden kann, ergänzt die Reihe von Sensoren und dient zur Messung der Windgeschwindigkeit.
Alle diese Studien machte klar, die Zufälligkeit und Dreidimensionalität der Wind, die Wellen zur Folge haben erhebliche Variabilität der gemessenen Parameter auch für stetigen wind zwingt und ein einzelnes Messort. Somit verlängert Messungen mit Dauer entsprechen die charakteristische Zeit, die Skalen von der gemessenen Wellenfeldes erforderlich sind, um ausreichende Informationen zum Extrahieren von zuverlässige statistische Größen zu sammeln. Um körperliche Einblick in die Mechanismen für die räumliche Variation der Wellenfeld zu gewinnen, ist es unerlässlich, möglichst in der Messstrecke Messungen an zahlreichen Standorten und für beliebig viele Werte des Förderstroms Wind durchführen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es daher wünschenswert, ein automatisierte experimentelle Verfahren anzuwenden.
Experimente auf Wellen angeregt durch unsteten Wind zwingt stellen ein zusätzliches Maß an Komplexität. In solchen Studien ist es unerlässlich, die momentane gemessenen Parameter beziehen sich auf das momentane Niveau der Windgeschwindigkeit. Betrachten Sie Experimente auf Wellen begeistert vom Rest durch ein fast impulsive Wind zwingen als ein wichtiges Beispiel. In diesem Fall werden zahlreiche unabhängige Messungen des Feldes Wind-Welle entwickelt sich unter der Einwirkung von Wind, der in der Zeit nach der gleichen vorgeschriebenen Muster24schwankt. Aussagekräftige statistische Parameter, ausgedrückt als Funktion der Zeit, seit der Einleitung des Luftstroms vergangen, werden dann durch Mittelwertbildung aus dem angesammelten Ensemble von unabhängigen Realisierungen extrahierten Daten berechnet. Diese Verpflichtung kann Hunderte von Stunden kontinuierliche Probenahme beinhalten. Die Gesamtdauer der experimentellen Sitzungen erforderlich um eine ehrgeizige Aufgabe macht den gesamten Ansatz nicht machbar, es sei denn, das Experiment voll automatisiert ist. Bis vor kurzem wurde keine solche voll computerisierte Versuchsdurchführung in Wind-Welle Einrichtungen entwickelt. Das ist die Hauptgründe für den Mangel an verlässlichen statistischen Daten über Windwellen unter instationären zwingen.
Da die Anlage für das Experiment verwendet nicht aus handelsüblichen aufgebaut ist, ist Standardhardware, hier eine kurze Beschreibung der wichtigsten Teile vorgesehen.
Abbildung 1: Schaltplan (nicht maßstabsgetreu) Blick auf die Versuchsanlage. 1 - Gebläse; 2 - Zufluss Abrechnung Kammer; 3 - Abfluss Abrechnung Kammer; 4 - Schalldämpfer-Boxen; 5 - Abschnitt Test; mit einem 6 - Strand; 7 - Wärmetauscher; 8 - Waben; 9 - Düse; 10 - Wavemaker; 11 - Klappe; 12 - Instrument Beförderung; 13 - Welle Spurweite von einem Schrittmotor angetrieben; 14 - Staurohr von einem Schrittmotor angetrieben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die experimentelle Anlage besteht aus einem closed-Loop-Windkanal montiert über eine Welle Tank ( Abbildung 1zeigt eine schematische Darstellung). Die Messstrecke ist 5 m lang, 0,4 m breit und 0,5 m tief. Die Seitenwände und der Boden sind aus 6 mm dicken Glasplatten und sind eingeschlossen in einem Rahmen aus Aluminium-Profilen. Eine 40 cm lange Klappe bietet eine glatte Expansion des Querschnitts Luftstrom aus der Düse an die Wasseroberfläche. Wellenenergie absorbierende Strand von porösen Verpackungsmaterial befindet sich am Ende des Tanks. Eine computergesteuertes Gebläse ermöglicht mittlere Luftgeschwindigkeit Strömung in der Messstrecke bis zu 15 m/s zu erreichen.
Das maßgeschneiderte Kapazität-Typ 100 mm langen Welle Messgerät besteht aus eloxiertem Tantal. 0,3 mm Draht ist montiert auf einer vertikalen Bühne für Welle Messgerät Kalibrierung entwickelt PC-gesteuerten Schrittmotor angetrieben. Ein Staurohr mit einem Durchmesser von 3 mm dient zur Messung der Staudruck im zentralen Luftstrom Teil der Messstrecke.
Die LSG, Messung der Durchlauferhitzer 2D Oberfläche Hang, installiert ist, auf einem Gestell losgelöst von der Messstrecke, die an jedem beliebigen Ort entlang der Tank (Abbildung 2) positioniert werden kann. VSG besteht aus vier Teilen: einer Laserdiode, einer Fresnel-Linse, eine diffusive Bildschirm und eine Position Sensing Detektor (PSD) Montage. Die Laserdiode erzeugt einen 650 nm (rot), 200 mW fokussierbar Laserstrahl mit Durchmesser von ca. 0,5 mm. 26,4 cm Durchmesser Fresnel-Linse mit der Brennweite von 22,86 cm leitet die eingehenden Laserstrahl zum 25 x 25 cm2 diffusiven Fenster befindet sich in der wieder Brennebene des Objektivs.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Laser Hang Gauge (LSG). 1 - Laserdiode; 2 - Fresnel-Linse; 3 - diffusive Bildschirm; 4 - Positions-Sensor-Detektor (PSD). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren, das ermöglicht die Durchführung von Experimenten, in denen zahlreiche Parameter, die Charakterisierung instationärer Wellen unter zeitabhängige Wind zwingt gleichzeitig gemessen werden. Das Verfahren kann auf jede gewünschte Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit auf Zeit eingestellt werden, die im Hinblick auf die technischen Grenzen der experimentellen Anlage erreicht werden kann. Dieses Protokoll beschreibt speziell Experimente in denen in jeder Erkenntnis, Wind fast impulsiv über zunächst ruhiges Wasser beginnt. Der stetige Wind zwingt dann dauert lang genug dafür erreicht der Wind-Welle-Bereich überall in der Messstrecke quasi-stationären Zustand. Der Wind ist schließlich geschlossen nach unten, wieder fast impulsiv. Auf allen Stufen werden mehrere Welle Parameter erfasst. Das Verfahren, das ermöglicht die Berechnung von zahlreichen statistisch repräsentativen Ensemble im Durchschnitt Mengen charakterisieren die momentane lokale Wind-Wellenfeld ist Roman und entwickelte sich im Laufe des Jahres neue Experimente durchgeführt, in unserer Einrichtung 22 , 23 , 24.
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Protocol
1. die Systemvorbereitung
- Füllen Sie den Tank mit Leitungswasser bis zu einer Tiefe von ca. 20 cm Tiefe Bedingung erfüllen; Reinigen Sie die Wasseroberfläche von Verunreinigungen, die die Oberflächenspannung beeinflussen können.
- Positionieren Sie die Instrument-Beförderung an die gewünschte zu holen.
- Montieren Sie das Staurohr und positionieren Sie es in der Mitte des Luftstroms Bestandteil der Messstrecke.
- Montieren Sie das Welle-Messgerät auf einer computergesteuerten vertikale Bühne ermöglichen die statische Kalibrierung.
- Position der LSG-Versammlung auf die gewünschte zu holen und in der seitlichen Entfernung von etwa 7 cm von der Welle Gauge Störungen der Welle zu beseitigen gauge Assembly mit den Strahlengang.
Hinweis: Die Verwendung von einem undurchsichtigen Vorhang empfiehlt zur Vermeidung der Exposition der PSD, Umgebungslicht, sowie zum Schutz der Umwelt von unechten Reflexion des Laserstrahls.- Richten Sie den Laser unter den Wassertank positioniert, so dass der Strahl senkrecht gerichtet ist, und konzentrieren Sie den Strahl zu.
- Position der Fresnel-Linse innerhalb der Messstrecke so hoch wie möglich über der Wasseroberfläche, das Objektiv Störung der Luftströmung zu minimieren.
- Stellen Sie sicher, dass der abgelenkte Laserstrahl das Objektiv in seinem zentralen Teil unter den extremen Windbedingungen in der experimentellen Sitzung geplant trifft.
- Montieren Sie den diffusiven Bildschirm genau in der Brennebene des Objektivs, dann überprüfen Sie die horizontale und vertikale Ausrichtung der Linse und dem Bildschirm.
- Stellen Sie sicher, dass zwei parallelen vertikalen Laserstrahlen den diffusiven Bildschirm genau in der Mitte, treffen wenn die Wasseroberfläche bleibt.
Hinweis: Dies kann getestet werden mit Hilfe von zwei identischen Lasern in einiger Entfernung voneinander aufgestellt. - Positionieren Sie die PSD, die dafür sorgen, dass das ganze Gebiet des Bildschirms diffusiven innerhalb der Wirkfläche des Detektors ist. Führen Sie die Fokussierung des Objektivs PSD durch Einstellung der Linse auf den tatsächlichen Abstand zwischen der Linse und dem Bildschirm.
2. Kalibrierung und den Betrieb von Sensoren
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Kalibrierung des Messgeräts Welle
- Führen Sie Welle Messgerät Kalibrierung für jeden Messort und jedes maximale Windgeschwindigkeit in der experimentellen Run erwartet.
- Legen Sie die vertikale Position des Sensors, so dass der mittlere Wasserstand etwa in der Mitte die Fernerkundung Kabel Länge ist.
- Die Gebläsestufe auf den gewünschten Wert eingestellt, und den Wind stetig für eine ausreichend lange Zeit (ca. 2-3 min) blasen lassen.
- Mit einem Oszilloskop, manuell passen Sie an, Sensibilität, Gain und Offset der Welle-Anzeige mit der Klimaanlage-Einheit um sicherzustellen, dass die Spannungswerte, die entsprechend den höchsten Kamm und den niedrigsten Trog erwartet im Wellenfeld innerhalb des Bereichs des A/D Konverter (+ /-10 V).
- Das Gebläse für einige Minuten, bis die Wasseroberfläche völlig ungestört wird heruntergefahren.
- Sicherzustellen Sie, dass die untergetauchte Länge innerhalb der erwarteten maximalen Kamm und Trog Werte durch Verschieben der Welle vertikal messen.
- Führen Sie automatische Kalibrierung der Welle-Anzeige mit einer maßgeschneiderten Routine in stillem Wasser das Messgerät bei einer Reihe von vorgegebenen tiefen Eintauchen und Aufnahme die mittlere Ausgangsspannung während 5 s für jede Tiefe.
- Passen Sie eine quadratische Kalibrierung Polynom, die aufgezeichneten Daten zu der Abhängigkeit H(V), wo H untertauchen (entsprechend der momentanen DGM-Höhe), als Funktion der Spurweite Ausgangsspannung Vbeträgt.
- Überprüfen Sie visuell die Qualität der eingebauten Kalibrierung Polynom (Abbildung 3).
- Führen Sie Welle Messgerät Kalibrierung für jeden Messort und jedes maximale Windgeschwindigkeit in der experimentellen Run erwartet.
Abbildung 3. Eichkurve des Messgeräts Welle. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
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Kalibrierung und Justierung der LSG
- Überprüfen Sie die Leistung von der LSG nach jeder Verschiebung der Sensoranordnung.
- Mit einem optischen Keil Prisma auf einer horizontalen Glasscheibe gelegt, abweichen des Laserstrahls bezüglich der optischen Achse Abhanges bekannten Wasser Oberfläche zu simulieren.
- Probe der PSD-Ausgänge des abgelenkten Laserstrahls auf den diffusiven Bildschirm mit einem Oszilloskop oder ein Custom-Built Daten-Übernahme-Programm vor Ort.
- Berechnung der Durchbiegung Abstrahlwinkel und die Steigung aus den gemessenen Koordinaten Laser Beam Punktkoordinate; Vergleichen Sie das Ergebnis mit der bekannten Keilwinkel.
- Wiederholen Sie den Vorgang für mehrere Beugungswinkel mit einem oder mehreren Prismen.
Hinweis: Keil Prismen mit Ablenkungswinkel von 2,5 ° bis 17,5 ° dienten; Wenn der Test Versatz der PSD mit dem diffusiven Bildschirm fehlschlägt, anpassen der PSD manuell, um Fehlstellungen zu korrigieren. Dieses Verfahren erfolgt manuell über eine 2D horizontale Übersetzung-Bühne und einer Ebene und ist sehr zeitaufwendig.
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Überprüfung der Linearität des PSD und Kalibrierung
- Platzieren Sie eine gleichmäßig verteilte Raster, die auf einer transparenten Folie auf dem diffusiven Bildschirm gedruckt wurde und es zu orientieren, so dass ihre Achsen, X und y, Fluchten mit Daunen und cross Windrichtungen, bzw. (Abbildung 4).
Hinweis: Das Raster erleichtert die Regie des Laserstrahls an die gewünschten Stellen auf dem diffusiven Bildschirm bequem und präzise mithilfe einer Reihe von Prismen oder den Laser unter dem diffusiven Bildschirm in entlang Wind und Seitenwind Richtungen bewegen. - Mit dem Satz von Prismen, die vertikale Laserstrahl um mehrere radiale Positionen des Laserstrahls auf dem diffusiven Bildschirm vor Ort zu erhalten, unter Beibehaltung einen konstanten azimutalen Winkel abzulenken.
Hinweis: Auflösung von 1 cm und maximalen Radius von 7 cm ist für jede der 9 azimutalen Winkel verwendet. - Bewegen Sie den Laserpunkt auf mehrere Positionen in der X-Richtung, wobei y koordinieren konstant, dann ändern Sie die Richtung der Bewegung in yund x konstant zu halten.
Hinweis: Reichweite und Auflösung sind ähnlich denen aus dem vorherigen Abschnitt. - In der Startaufstellung in jeder Kalibrierung sammeln Sie etwa 50 Punkte.
Hinweis: Die Laser-Strahl-Punktkoordinaten werden von PSD erworben und mit einem standard Zweikanal-Oszilloskop angeschlossen, die PSD ausgewertet.- Für jede Richtung passen Verwendung linearer Daten liefern die Kalibrierung Koeffizienten um die Koordinaten des Laserstrahls auf dem PSD-Sensor in die entsprechenden Koordinaten auf dem diffusiven Bildschirm zu konvertieren.
Hinweis: Ein Beispiel für die PSD-Kalibrierung ist für eine Reihe von Punkten entlang der Mittellinie der Messstrecke in Abbildung 5 dargestellt. Die Reaktion des Sensors und damit die Kalibrierung Koeffizienten ist nahezu identisch in alle Richtungen, wenn die Achsen der diffusiven Bildschirm und der Sensor korrekt ausgerichtet sind. Das Raster erleichtert das Kalibrierverfahren, ermöglicht eine einfache Bestimmung der Laser-Hang-Koordinaten auf dem diffusiven Bildschirm.
- Für jede Richtung passen Verwendung linearer Daten liefern die Kalibrierung Koeffizienten um die Koordinaten des Laserstrahls auf dem PSD-Sensor in die entsprechenden Koordinaten auf dem diffusiven Bildschirm zu konvertieren.
- Platzieren Sie eine gleichmäßig verteilte Raster, die auf einer transparenten Folie auf dem diffusiven Bildschirm gedruckt wurde und es zu orientieren, so dass ihre Achsen, X und y, Fluchten mit Daunen und cross Windrichtungen, bzw. (Abbildung 4).
- Überprüfen Sie die Leistung von der LSG nach jeder Verschiebung der Sensoranordnung.
Abbildung 4. Diffusiven Bildschirm Raster. Das Raster erleichtert die Regie des Laserstrahls an die gewünschten Stellen auf dem diffusiven Bildschirm bequem und präzise, entweder unter Verwendung eines Satzes von Prismen oder bewegt sich des Lasers unter dem diffusiven Bildschirm in entlang Wind und Seitenwind Richtungen Klicken Sie bitte hier eine größere Version dieser Figur sehen.
Abbildung 5. PSD-Eichkurve. Die Abbildung zeigt, dass die Übersetzung der PSD ausgegeben Spannungen zu Koordinaten führt zu angemessene Ergebnissen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
3. Versuchsdurchführung und Datenerfassung
Hinweis: Siehe ergänzende Abbildung1 für die Benutzeroberfläche in den folgenden Schritten verwendet.
- Stellen Sie Gebläse Frequenz mit Hilfe einer speziell angefertigten Programm-Benutzeroberfläche.
Hinweis: Fast schrittweise Zunahme der Windgeschwindigkeit über zunächst ungestört Wasserfläche wurde angewendet, gefolgt von einem stetigen Luftmenge für einen vorgeschriebenen Zeitraum (120 s), und ein fast impulsive Herunterfahren des Gebläses. - Bestimmen Sie die Anzahl der verschiedenen stetigen Wind Strömungsgeschwindigkeiten und die erforderlichen Gebläse-Einstellungen.
- Einstellungen Sie die Druck Wandler auf der Erwartungen der dynamische Druckschwankungen, die durch das Staurohr erkannt.
- Stellen Sie sicher, dass am Anfang jeder Realisierung gibt es keinen Wind und die Wasseroberfläche ungestört (glatt spiegelt). Starten Sie die Datenerfassung synchron mit Betrieb des Gebläses.
- Aufzeichnen der momentanen Oberflächenhöhe, Oberfläche Hang Komponenten entlang-Seitenwind Richtungen der Pitot tube Ausgabe die mittlere Windgeschwindigkeit UÜberwachung und Spannungsvariation vom Gebläse Regler bei den vorgeschriebenen Probenahme bewerten () 300 Hz/Kanal verwendet wurden).
Hinweis: Die Spannung von Welle-Gauge erworben durch das Programm wird automatisch in DGM-Höhe mit der Kalibrierung Koeffizienten von der Fit in Abbildung 3dargestellten konvertiert. - Weiter Probenahme für genügend Zeit, um die verfallenden Wellenfeldes nach der Abschaltung des Gebläses aufzeichnen.
- Stellen Sie nach Abschluss der Probenahme sicher, dass die automatische Versuchsdurchführung ausreichend Zeit (je nach System) ermöglicht, um Wasseroberfläche, ungestörten Zustand vor Beginn der nächsten Ausführung zu bringen.
- Speichern Sie die aufgezeichneten Daten zur weiteren Verarbeitung.
- Führen Sie die vorgeschriebene Anzahl von Realisierungen (in der Regel 100 unabhängigen Läufe fanden ausreichend).
- Berechnen Sie das Ensemble gemittelte Parameter der aufgezeichneten Daten, wie eine Funktion der Zeit, seit der Einleitung des Gebläses vergangen.
- Wiederholen Sie den Vorgang für die nächste Einstellung des Gebläses entsprechend dem ausgewählten Ziel Windgeschwindigkeit in der Messstrecke.
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Representative Results
Die repräsentativen Ensemble gemittelte Ergebnisse sind in Abbildung 6, Abbildung 7und Abbildung 8dargestellt. Die Variation der RMS-Werte des momentanen Oberflächenhöhe <η2>1/2 , das charakterisiert die Amplitude der zufälligen Windwellen wie in Abbildung 6 dargestellt als Funktion der Zeit verstrichen Einleitung des Gebläses. Ergebnisse für 3 Entfernungen von Wavemaker, X, und drei Ziel Windgeschwindigkeiten, U.
Für feste Fetch X, erhöhen die Gleichgewicht quasistationären Zustand charakteristische Welle Amplituden mit der Windgeschwindigkeit U; die Dauer mussten jedoch erreichen die quasi stetigen Wert <η2>1/2 nach Einleitung des Gebläses scheint nicht stark abhängig U bei jeder gegebenen x. Die Gleichgewicht-Werte der charakteristische Welle Amplituden für eine konstante Zielwert des Windes zwingt U erhöhen mit holen. Beachten Sie auch, dass Variation in die Änderungsrate von <η2>1/2 erkennbar in jeder Kurve dargestellt in Abbildung 6 ist, eindeutig darauf hindeutet, dass Phasen in den Wind-Wellen-Wachstum vorhanden Prozesses. Ensemble im Durchschnitt RMS-Werte von der Windrichtung und Seitenwind Hang Komponenten, <ηX2>1/2 und <ηy2>1/ 2, für zwei Abrufe und zwei Werte der Windgeschwindigkeit U. in Abbildung 7 dargestellt sind
Es ergibt sich aus dem Vergleich von Abbildung 6 und Abbildung 7 sind die charakteristische Zeit Skalen der Variation der beiden Oberflächen Hang Komponenten vor allem kürzer als die entsprechenden Skalen der Oberflächenhöhe Variation. Die quasistationären Werte <ηX2>1/2 und <ηy2>1/2 sind von der gleichen Größenordnung, obwohl das Merkmal Abfahrten in Richtung Seitenwind sind kleiner als die Hänge in Richtung entlang der Wind. Diese Ergebnisse zeigen, dass Windwellen kurz-crested und dreidimensional. Die charakteristischen Neigungswerte in beide Richtungen unter quasistationären Wind zwingt scheinen im Wesentlichen unabhängig von Fetch Xsein, sondern mit der Windgeschwindigkeit U. erhöhen Ein genauer Blick auf die zeitliche Variation der beiden Hang Komponenten für feste X und U zeigt, dass die anfängliche Anstieg <ηX2>1/2 konsequent und vor allem schneller als die der <ηy2>1/2. So können Sie in der sehr frühen Phase des Wachstums der ersten Wellen, die auf die ruhige Wasseroberfläche mit der Aktivierung der Wind erscheinen, als etwa zweidimensionale gesehen werden. Diese Phase dauert nur einen Bruchteil von einer Sekunde; Dennoch ist es wichtig zu betonen, dass die wesentlichen Dreidimensionalität des Wellenfeldes mit einer gewissen Verzögerung entwickelt.
Das Verhalten des Wellenfeldes nach die Abschaltung des Gebläses ist in Abbildung 8dargestellt. Die Wellen im Tank verbleibenden zerfallen schnell, effektiv verschwinden nach ca. 1 Minute.
Abbildung 6. Zeitliche Variation der RMS die Oberflächenhöhe. Die Abbildung zeigt, dass die Zeitskalen der Variation von der charakteristischen Wellenhöhe vertreten durch <η2>1/2 von die Solldrehzahl Wind U und Fetch x. abhängen Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7. Variation mit der Zeit der RMS der Abwind/Kreuz-Wind Oberfläche Hang Komponenten. Ensemble gemittelt RMS-Werte von der Windrichtung und Seitenwind Hang Komponenten, <ηX2>1/2 und <ηy2>1/2, werden hier dargestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Verfall der Wind-Welle eingereicht nach der Abschaltung des Lüfters. Das Ensemble im Durchschnitt RMS-Werte von der Windrichtung und Seitenwind Hang Komponenten, <ηX2>1/2 und <ηy2>1/2, sind für zwei Abrufe und zwei Werte der Windgeschwindigkeit U. dargestellt in Abbildung 7 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Ergänzende Abbildung1: maßgeschneiderte Software-Benutzeroberfläche für die Datenerfassung. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.
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Discussion
Dieses experimentelle Protokoll zielt auf quantitative Charakterisierung der Wellenfeldsynthese unter instationären Wind zwingt, die sich in Zeit und Raum entwickelt. Da Wind-Wellen im Wesentlichen zufällig und dreidimensionale sind und somit schnell in Raum und Zeit variieren, können Aufzeichnungen über einzelne Realisierungen von Feldinhalten wachsenden Wind-Welle unter zeitabhängige Wind zwingt nur qualitative Einschätzungen des Direktoriums Wellenparametern. Um das Ziel dieses Protokolls zu erreichen und zu erhalten statistisch abgesicherte und Fetch-zeitabhängige Welle Eigenschaften, zeitaufgelöste Ensemble Mittelung der zahlreichen experimentellen läuft mit einem identischen Muster aus Wind Variation in der Zeit zu gelten hat. Da Ansammlung von so detaillierte und umfangreiche Informationen für unterschiedliche Zielgruppen Windgeschwindigkeiten und Abrufe sehr zeitaufwendig ist, muss das experimentelle Verfahren automatisiert und flexibel genug, um die notwendige Anpassungen für unterschiedliche ermöglichen Windverhältnisse zwingen. Nach bestem Wissen und gewissen war die Versuchsdurchführung beschrieben in dieser Handschrift, die in der Lage, vielfältige statistische Welle Feldparameter unter Variable Wind zwingt zeitlicher und räumlicher Auflösung ist bis heute weitgehend nicht verfügbar.
Beachten Sie, dass die Dauer der Experimente, die zur Durchführung der Wind-Welle Messungen im Labor Tank steigt mit der Größe der Anlage erheblich Welle. Dies liegt zum Teil daran erhöht sich die Dauer der Wachstumsphase Welle mit Fetch (siehe Abbildung 6). Die Wellenlängen und Perioden wachsen auch mit Fetch17,21,23,24, also für anfallende statistisch repräsentative Daten, die Dauer des Experiments in jedem Lauf hat lange verglichen werden soll die entsprechende dominante Wellenperiode. Individuelle Umsetzungen auf Abrufe deutlich länger als die Beschäftigten in der vorliegenden Studie haben somit längere sein. Noch wichtiger sind die längsten Wellenlängen angeregt durch Wind in einer Versuchsanlage des Ordens die charakteristische Länge des Tanks. Die verbleibenden Wellen noch in den Tank nach der Abschaltung des Windes in eine größere Anlage somit erfordern längere Zeiten für deren Zerfall. Das Intervall zwischen den aufeinander folgenden Läufen in einem größeren Wind-Welle-Tank erforderlich, um ungestörter Wasseroberfläche zurückzukehren muss deshalb länger als die sechs-Minuten-Intervall in unseren Experimenten beschäftigt beträchtlich sein.
Der oben beschriebene allgemeinen Ansatz kann für eine Vielzahl von stetigen und unsicher Wind zwingt Bedingungen angewendet werden. In diesem Manuskript wählte man die zeitliche Variation der Wind zwingt mit dem Ziel die Ansammlung eines ausreichenden Daten zu ermöglichen, instationären Wellenfeld unter effektiv impulsive Wind zwingt und Herunterfahren sowie unter stetigen Wind zwingt zu studieren. Zu diesem Zweck wurde darauf geachtet, um sicherzustellen, dass die Wasseroberfläche ruhig und ungestört vor Einleitung der jeder einzelne Versuch war. In jeder Iteration der Wind durch das Gebläse fast impulsiv gestartet wurde, dann die Luftmenge konstant für eine ausreichend lange Zeit (2 min in den heutigen Experimenten), nach der das Gebläse heruntergefahren wurde. Mit diesem Ansatz können separat zeitlich sich entwickelnden Wind-Wellenfelder wächst aus der anfangs ruhige Wasseroberfläche quasistationären Zustand an die gegebenen holen und Wind-Geschwindigkeit, dann das Merkmal der Wellen unter stetigen Wind zwingt, zu studieren und schließlich die Verfall der Wellen sobald Wind zwingt abrupt abgeschaltet ist.
Die Dauer jeder einzelnen Realisierung in der vorliegenden Studie, die die Periode zu beruhigen so enthält überschreitet 8 min. Daher werden Experimente in welche Daten gesammelt, für 100 unabhängige bei einem einzelnen Abruf läuft und Wind Zielgeschwindigkeit dauern fast 15 Stunden (einschließlich der Dauer der Welle Messgerät Kalibrierung). Es ist offensichtlich, dass für ein solches Unternehmen erfolgreich zu sein, dass unbedingt die gesamte Versuchsdurchführung automatisch, d.h. völlig ohne menschlichen Eingriff durchgeführt werden kann.
Somit ist hervorzuheben, dass die bescheidene Größe unserer Einrichtung und die vollautomatische Messung und Kalibrierung Verfahren waren entscheidend für die Umsetzung der beschlossenen Versuchsansatz. Während Detailergebnisse auf der Wind-Welle Bereich Entwicklung unter instationären zwingt künftig anderswo präsentiert werden, ergibt sich aus Abbildung 6, Abbildung 7und Abbildung 8 , bisher nicht verfügbare Informationen auf feine Details die Wind-Welle-Entwicklung wird in der vorliegenden Studie gesammelt. Diese Informationen werden zur verschiedene theoretische Modelle zu überprüfen, die sich mit Anregung von Wellen durch Wind1,2,3,4,5,24.
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Disclosures
Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde unterstützt von der Israel Science Foundation Grant # 306/15.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PSD | THORLABS | PDP90A | |
| Laser Diode | any laser pointer ≤ 200 mW | ||
| Aspheric Fresnel Lens | EDMUND OPTICS | #46-390 | Diameter 10.4'', Focal length 9'' |
| Wave-gauge | custom made | ||
| Pressure Transducer | MAMAC SYSTEMS | PR-274-R2-VDC | |
| Signal Conditioner | custom made | ||
| Diffusive screen | EDMUND OPTICS | #02-147 | |
| Water tank | custome made | ||
| A/D card PCI-6221 | National Instruments | 779066-01 | |
| Pitot tube | KIMO Instruments | 12971 | |
| 15° Nom. VIS-NIR Coated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #47-624 | |
| 10° Nom. VIS 0° Coated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #49-444 | |
| 2.5° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated | EDMUND OPTICS | #84-863 | |
| 4° Nom. Uncoated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #43-650 | |
| 5.0° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated | EDMUND OPTICS | #84-865 | |
| LabView Full Development System | National Instruments | 776670-35 |
References
- Sir William Thomson, F. R. S. Hydrokinetic solutions and observations. Philosophical Magazine. 42, 362-377 (1871).
- Jeffreys, H. On the formation of water waves by wind. Proc. Roy. Soc. London Ser. A. 107, 189-206 (1925).
- Miles, J. W. On the generation of surface waves by shear flows. J. Fluid Mech. 3 (2), 185-204 (1957).
- Phillips, O. M. On the generation of waves by turbulent wind. J. Fluid Mech. 2 (5), 417-445 (1957).
- Plate, E. J., Chang, P. C., Hidy, G. M. Experiments on the generation of small water waves by wind. J. Fluid Mech. 35 (4), 625-656 (1969).
- Mitsuyasu, H. On the growth of the spectrum of wind-generated waves I. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu Univ. 16 (55), 459-482 (1968).
- Toba, Y. Local balance in the air-sea boundary processes, I. On the growth process of wind waves. J. Oceanog. Soc. Japan. 28, 109-120 (1972).
- Toba, Y. Local balance in the air-sea boundary processes. III. On the spectrum of wind waves. J. Oceanogr. Soc. Japan. 29, 209-220 (1973).
- Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. Frequency-wavenumber spectrum of wind-generated gravity-capillary waves. J. Geoph. Res. 102, 1061-1072 (1997).
- Caulliez, G., Guérin, C. -A. Higher-order statistical analysis of short wind wave fields. J. Geophys. Res. 117, C06002 (2012).
- Mitsuyasu, H., Rikiishi, K. The growth of duration-limited wind waves. J. Fluid Mech. 85, 705-730 (1978).
- Kawai, S. Generation of initial wavelets by instability of a coupled shear flow and their evolution to wind waves. J. Fluid Mech. 93 (4), 661-703 (1979).
- Waseda, T., Toba, Y., Tulin, M. P. Adjustment of wind waves to sudden changes of wind speed. J. Oceanography. 57, 519-533 (2001).
- Uz, B. M., Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. A. Laboratory observations of gravity-capillary waves under transient wind forcing. J. Geophys. Res.: Oceans. 108 (C2), (2003).
- Hwang, P. A., Wang, D. W. Field measurements of duration-limited growth of wind-generated ocean surface waves at young stage of development. J. Phys. Oceanogr. 34 (10), 2316-2326 (2004).
- Hwang, P. A., García-Nava, H., Ocampo-Torres, F. J. Observations of wind wave development in mixed seas and unsteady wind forcing. J. Phys. Oceanogr. 41, 2340-2359 (2011).
- Liberzon, D., Shemer, L. Experimental study of the initial stages of wind waves' spatial evolution. J. Fluid Mech. 681, 462-498 (2011).
- Miles, J. W. On generation of surface waves by shear flows. Part 2. J. Fluid Mech. 6 (4), 568-582 (1959).
- Plant, W. J. A relationship between wind stress and wave slope. J. Geophys. Res. 87, 1961-1967 (1982).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Characterization of turbulent air flow over evolving water-waves in a wind-wave tank. J. Geophys. Res. 117, C00J19 (2012).
- Zavadsky, A., Liberzon, D., Shemer, L. Statistical analysis of the spatial evolution of the stationary wind wave field. J. Phys. Oceanogr. 43, 65-79 (2013).
- Zavadsky, A., Benetazzo, A., Shemer, L. On the two-dimensional structure of short gravity waves in a wind wave tank. Phys. Fluids. 29 (1), 016601 (2017).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Investigation of statistical parameters of the evolving wind wave field using Laser Slope Gauge. Phys. Fluids. 29 (5), (2017).
- Zavadsky, A., Shemer, L. Water waves excited by near-impulsive wind forcing. J. Fluid Mech. , (2017).
