Summary
Ce manuscrit décrit une procédure entièrement contrôlé par ordinateur qui permet d’obtenir des paramètres statistiques fiables d’expériences de vagues excités en forçant les vent stable et instable dans une installation à petite échelle.
Abstract
Cet article décrit une procédure expérimentale qui permet d’obtenir diverses informations quantitatives sur l’évolution temporelle et spatiale des vagues d’eau excités en forçant les vent dépendant du temps et stable. Calibre d’onde capacitance et jauge de pente du Laser (LSG) sont utilisés pour mesurer l’élévation de la surface d’eau instantanée et deux composantes de la pente de la surface instantanée à plusieurs endroits le long du tronçon d’essai d’une installation éolienne-vague. Le ventilateur commandé par ordinateur fournit des flux d’air au-dessus de l’eau dans le réservoir, dont le taux peut varier dans le temps. Dans ces expériences, la vitesse du vent dans la section test initialement augmente rapidement reste à la valeur programmée. Il est ensuite maintenue constante pendant toute la durée prescrite ; Enfin, le flux d’air est arrêté. Au début de chaque série expérimentale, la surface de l’eau est calme et il n’y a pas de vent. Fonctionnement du ventilateur est lancé simultanément avec l’acquisition des données fournies par les capteurs par un ordinateur ; acquisition de données se poursuit jusqu'à ce que les vagues dans le réservoir se désintègrent complètement. Plusieurs essais indépendants effectués dans les mêmes conditions de forçages permettent de déterminer statistiquement fiables paramètres caractéristiques moyennes d’ensemble qui décrivent quantitativement les variations de vent-waves à temps pour la phase de développement initial comme un fonction d’extraction. La procédure permet également de caractériser l’évolution spatiale du champ vague sous le vent constant forçant, ainsi que la décomposition des vagues dans le temps, une fois que le vent est arrêté, en fonction de la récupération.
Introduction
Depuis l’antiquité, il est bien connu que les vagues sur la surface de l’eau sont excités par le vent. La compréhension actuelle des mécanismes physiques qui régissent ce processus est loin d’être satisfaisante. Nombreuses théories tente de décrire de génération de vent-vagues ont été proposées sur les années1,2,3,4, mais leur validation expérimentale fiable n’est pas encore disponible. Mesures de vent aléatoires-vagues dans l’océan sont extrêmement difficiles en raison des vents imprévisibles qui peuvent varier rapidement dans la direction ainsi que dans l’ampleur. Des expériences en laboratoire ont l’avantage des conditions contrôlables permettant des mesures reproductibles et prolongées.
Sous vent constant forçant dans l’environnement de laboratoire, les vagues de vent évoluent dans l’espace. Premières expériences en laboratoire sur ondes sous forçage constant effectué depuis des décennies sont limitaient à élévation instantanée de la surface des mesures5,6,7,8. Des études plus récentes ont également employé diverses techniques optiques pour mesurer l’angle d’inclinaison de surface eaux instantanés tels que LSG9,10. Ces mesures a permis d’obtenir certains limitée des informations qualitatives sur la structure tridimensionnelle des champs de vent-vagues. Lorsque le vent forçage est instable, comme dans les expériences sur le terrain, complexité supplémentaire est introduite au problème de l’excitation de l’eau des vagues par le vent, puisque les paramètres statistiques du champ vague résultante varient non seulement dans l’espace, mais dans le temps ainsi. Les tentatives faites jusqu'à présent pour décrire les modèles d’évolution de vagues qualitativement et quantitativement sous forçage dépendant du temps étaient seulement partiellement réussi11,12,13,14 , 15 , 16. croissance des ondes en raison de l’action du vent et la contribution relative des différents mécanismes physiques plausibles qui peuvent mener à une excitation restent largement méconnues.
Notre centre expérimental a été conçu dans le but de permettre l’accumulation d’informations statistiques précises et diverses sur la variation des caractéristiques du champ de vent-vagues sous chaque forçage de vent stable ou instable. Deux principaux facteurs ont facilité mener ces études détaillées. Tout d’abord, la taille modeste des résultats dans l’évolution caractéristique relativement courte installation évolue dans le temps et l’espace. Deuxièmement, l’expérience entière est entièrement contrôlé par un ordinateur, permettant ainsi la performance de pistes expérimentales dans des conditions expérimentales différentes automatiquement et pratiquement sans intervention humaine. Ces caractéristiques de l’installation expérimentale sont d’une importance cruciale dans des expériences sur les ondes excités reste par vent impulsif.
La croissance spatiale des vagues de vent sous forçage constant a été étudiée dans notre établissement pour un éventail de vitesses de vent17. Résultats ont été comparés avec les estimations des taux de croissance basées sur la théorie de18 Miles telle que présentée par l’usine19. La comparaison a révélé que les résultats expérimentaux diffèrent notamment les prédictions théoriques. Les paramètres importants supplémentaires ont également étaient d’obtenus en17, comme la baisse de la pression moyenne dans la section d’essai, ainsi que les valeurs absolues et les phases des fluctuations de pression statique caractéristique. La contrainte de cisaillement à l’interface air-eau est essentielle pour la caractérisation de l’élan et l’énergie de transfert entre le vent et les vagues de17,19. Donc, en détail des mesures de la couche limite logarithmique et les fluctuations turbulentes dans le flux d’air au-dessus de l’eau vagues ont été effectués à plusieurs extractions et vent des vitesses20. Les valeurs de la friction vitesse u* à l’interface air-eau identifié dans cette étude ont été utilisées pour obtenir des paramètres adimensionnels statistiques des vent-vagues mesurées dans notre usine21. Ces valeurs ont été comparées avec les paramètres sans dimension correspondants obtenus dans les grandes installations expérimentales et expériences sur le terrain. Il a été démontré précédemment21 qu’avec la bonne échelle, les caractéristiques importantes du champ vent-vagues obtenus dans nos installations à petite échelle ne diffèrent pas significativement les données correspondantes accumulés dans le plus grand laboratoire installations et mesures de la mer ouverte. Ces paramètres incluent la croissance spatiale du représentant si la hauteur et longueur d’onde, la forme de la bande de fréquences de l’élévation de la surface, ainsi que les valeurs des moments statistiques plus élevés.
Les études ultérieures menées dans notre établissement22,23 a montré que les vagues de vent sont essentiellement aléatoire et en trois dimensions. Pour obtenir un meilleur aperçu de la structure 3D des vagues de vent, une tentative a été effectuée pour effectuer des mesures quantitatives de dépendant du temps de l’élévation de la surface l’eau sur une zone d’extension à l’aide de stéréo d’imagerie vidéo22. En raison de la puissance informatique inadéquat disponible à présents et traitement des algorithmes qui ne sont pas encore suffisamment efficaces, ces tentatives se sont avérés être seulement partiellement réussie. Toutefois, il a été démontré que l’utilisation combinée d’un calibre d’onde conventionnelle capacitance et la LSG fournit des renseignements précieux sur la structure spatiale des vagues de vent. L’application simultanée de ces deux instruments permet des mesures indépendantes avec une haute résolution temporelle de l’élévation de surface instantanée et des deux composantes de la pente de la surface instantanée23. Ces mesures permettent l’estimation de la fréquence dominante et longueur d’onde dominante de vagues, ainsi que fournir la structure de l’onde dans la direction perpendiculaire au vent. Un tube de pitot, qui peut être déplacé verticalement par un moteur commandé par ordinateur, complète l’ensemble des capteurs et est utilisé pour les mesures de vitesse du vent.
Toutes ces études clairement qu’aléatoire et la tridimensionnalité de vent vagues entraînent une variabilité significative des paramètres mesurés même pour stabiliser le vent forçage et un seul emplacement de mesure. Ainsi, a prolongé les mesures avec une durée proportionnelle à la fois caractéristique échelles du champ vague mesurées sont nécessaires pour accumuler suffisamment de renseignements permettant d’extraire des quantités statistiques fiables. Pour obtenir de précieuses informations physiques sur les mécanismes qui régissent la variation spatiale du champ vague, il est impératif d’effectuer des mesures à de nombreux endroits et pour des valeurs de la vitesse d’écoulement de vent autant que possible dans la section de l’essai. Pour atteindre cet objectif, il est donc hautement souhaitable d’appliquer une procédure expérimentale automatisée.
Expériences sur les ondes excités en forçant les vent instable va présenter un niveau de complexité supplémentaire. Dans ces études, il est impératif de relier les paramètres mesurés instantanées au niveau instantané de la vitesse du vent. Envisager des expériences sur les ondes excité du reste par un forçage de vent presque impulsif comme un exemple important. Dans ce cas, de nombreuses mesures indépendantes sont nécessaires du champ vent-onde évolue sous l’action du vent qui varie dans le temps suivant le même modèle prescrit24. Les paramètres statistiques significatives, exprimées en fonction du temps écoulé depuis l’ouverture du flux d’air, sont alors calculés en faisant la moyenne des données extraites de l’ensemble cumulé des réalisations indépendantes. Cette entreprise peut impliquer des dizaines et des centaines d’heures d’échantillonnage en continu. La durée totale des sessions expérimentales nécessaires pour accomplir une tâche aussi ambitieuse restitue toute l’approche irréalisable, à moins que l’expérience est entièrement automatisée. Aucune telle procédure expérimentale entièrement informatisé dans les installations de vent-vagues n’a été développé jusqu'à une date récente. C’est parmi les principales raisons de l’absence de données statistiques fiables sur les vagues de vent sous forçage instable.
Étant donné que les installations utilisées pour l’expérience ne sont pas construite de disponible dans le commerce, matériel sur étagère, une brève description de ses pièces principales est fournie ici.
Figure 1. Schéma (à ne pas mettre à l’échelle) vue de l’installation expérimentale. 1 - ventilateur ; 2 - apport décantation chambre ; 3 - sortie décantation chambre ; 4 - boîtes de silencieux ; 5 - section test ; avec un 6 - plage ; 7 - échangeur de chaleur ; 8 - nid d’abeille ; 9 - buse ; 10 - wavemaker ; 11 - Rabat ; 12 - transport instrument ; 13 - calibre vague entraînée par un moteur pas à pas ; 14 - tube de Pitot entraîné par un moteur pas à pas. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
L’installation expérimentale se compose d’une soufflerie de boucle fermée montée au-dessus d’une cuve à Houle (une vue schématique est illustrée à la Figure 1). La section test a 5 m de long, largeur 0,4 m et 0,5 m de profondeur. Les parois latérales et le plancher sont faits de plaques de verre d’épaisseur de 6 mm et sont enfermés dans un cadre en profilés d’aluminium. Un lambeau de long 40 cm fournit une expansion en douceur de la section transversale du flux d’air qui sort du gicleur à la surface de l’eau. Absorption d’énergie vague plage fait de matériel d’emballage poreux est située à l’extrémité du réservoir. Un ventilateur commandé par ordinateur permet d’atteindre la vitesse d’écoulement moyenne de l’air dans la section d’essai jusqu'à 15 m/s.
La jauge de 100 mm de longueur onde sur mesure de type capacitance faite de tantale anodisé. fil de 0,3 mm est monté sur une scène verticale actionnée par un moteur d’étape piloté par PC conçu pour l’étalonnage du manomètre vague. Un tube de Pitot d’un diamètre de 3 mm est utilisé pour mesurer la pression dynamique dans la partie centrale d’air de la section de l’essai.
La LSG, mesure la pente de la surface d’eau 2D instantanée, est installé sur un châssis détaché de la section d’essai qui peut être positionnée n’importe où le long du réservoir (Figure 2). LSG se compose de quatre parties principales : une diode laser, une lentille de Fresnel, un écran de diffusion et une Assemblée de détecteur de détection de Position (PSD). La diode laser génère un 650 nm (rouge), 200 mW laser Focus faisceau d’environ 0,5 mm de diamètre. Le diamètre de 26,4 cm lentille de Fresnel avec une longueur focale de 22,86 cm dirige le faisceau laser entrant à l’écran par diffusion de 25 x 25 cm2 , situé dans le plan focal arrière de la lentille.
Figure 2. Vue schématique de la jauge Laser de pente (LSG). 1 - laser diode ; 2 - lentille de Fresnel ; 3 - diffusion écran ; 4 - position capteur détecteur (PSD). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Ce protocole décrit la procédure qui permet de réaliser des expériences dans lesquelles nombreux paramètres caractérisant les vagues instables ont été mesurées simultanément dans vent dépendant du temps forçant. La procédure peut être réglée à n’importe quelle dépendance souhaitée de la vitesse du vent sur le temps qui peut être atteinte compte tenu des limitations techniques de l’installation expérimentale. Le présent protocole décrit plus précisément les expériences où dans chaque réalisation, vent recommence presque impulsivement eaux calmes au départ. Le vent constant, forçant alors dure assez longtemps que le champ de vent-vagues partout dans la section test atteint l’état quasi-stationnaire. Finalement, le vent est fermé vers le bas, encore une fois presque impulsivement. À tous les stades, plusieurs paramètres de vague sont enregistrées. La procédure qui permet le calcul de nombreuses quantités moyennes d’ensemble statistiquement représentatifs caractérisant le domaine d’instantané d’onde vent local est roman et a été développé dans le cadre des expériences récentes menées dans nos installations 22 , 23 , 24.
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Protocol
1. préparation du système
- Remplissez le réservoir avec de l’eau jusqu'à une profondeur de 20 cm environ pour satisfaire à la condition en eau profonde ; nettoyer la surface de tous les contaminants qui peuvent affecter la tension superficielle de l’eau.
- Positionnez le transport de l’instrument à l’extraction désirée.
- Montez le tube de Pitot et placez-la au centre de la partie de flux d’air de la section d’essai.
- Monter la jauge de vague sur une scène verticale contrôlé par ordinateur pour permettre son calibrage statique.
- Position de l’Assemblée LSG à l’extraction souhaitée, à la distance latérale d’environ 7 cm de la jauge de vague pour éliminer le brouillage de la vague de calibre Assemblée de trajet optique.
Remarque : L’utilisation d’un rideau opaque est recommandée pour prévenir l’exposition du PSD à la lumière ambiante, mais aussi à protéger l’environnement contre les reflets parasites du faisceau laser.- Aligner le laser placé au-dessous du réservoir d’eau de sorte que le faisceau est dirigé verticalement et focaliser le faisceau.
- Position de la lentille de fresnel dans sa partie la plus haute possible au-dessus de la surface de l’eau pour minimiser la perturbation de la lentille du débit d’air.
- Veillez à ce que le faisceau laser dévié frappe la lentille dans sa partie centrale, dans les conditions de vent extrêmes prévues dans la session expérimentale.
- Monter l’écran diffusive exactement dans le plan focal de la lentille, puis vérifier l’alignement horizontal et vertical de la lentille et l’écran.
- Assurez-vous que les deux faisceaux laser vertical parallèle frapper l’écran diffusive exactement au centre lorsque la surface de l’eau est encore.
Remarque : Cela peut être testé à l’aide de deux lasers identiques placés à une certaine distance les uns des autres. - Positionner le PSD en s’assurant que toute la zone de l’écran par diffusion relève de la surface utile du détecteur. Effectuer la mise au point de l’objectif PSD en ajustant les paramètres de la lentille à la distance entre la lentille et l’écran.
2. étalonnage et le fonctionnement des capteurs
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Calibrage de la jauge de vague
- Procéder au calage du calibre vague pour chaque emplacement de mesure et chaque vitesse de vent maximale devrait à terme expérimental.
- Définir la position verticale du capteur pour que le niveau d’eau moyen est approximativement au milieu de la longueur des fils la télédétection.
- A la valeur désirée de la vitesse du ventilateur et laisser le vent souffler régulièrement pendant une période suffisamment longue (2-3 min).
- À l’aide d’un oscilloscope, régler manuellement la sensibilité, gain et décalage de la jauge de vague à l’aide de l’unité conditionneur pour s’assurer que les valeurs de tension correspondant à la plus haute crête et le creux le plus bas prévu dans le domaine de l’onde sont dans le secteur de l’A/D convertisseur (+/-10 V).
- Arrêtez le ventilateur pendant quelques minutes, jusqu'à ce que la surface devienne complètement intacte.
- Vérifier que la longueur immergée relève de crête maximale attendue et valeurs creux en déplaçant la vague jauge verticalement.
- Procéder au calage automatique de la jauge de vague avec une routine sur mesure dans les eaux stagnantes submergeant la jauge à plusieurs profondeurs spécifiés et enregistrement de la tension moyenne de sortie pendant 5 s pour chaque profondeur.
- Monter un étalonnage quadratique polynomial aux données enregistrées pour obtenir la dépendance H(V), où H est la profondeur d’immersion (correspondant à l’élévation de surface instantanée), en fonction de la tension de sortie de calibre V.
- Vérifier visuellement la qualité de l’étalonnage équipée polynomiale (Figure 3).
- Procéder au calage du calibre vague pour chaque emplacement de mesure et chaque vitesse de vent maximale devrait à terme expérimental.
Figure 3. Courbe d’étalonnage de la jauge de la vague. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Étalonnage et le réglage de LSG
- Vérifier les performances de la LSG après chaque déplacement de l’ensemble du capteur.
- À l’aide d’un prisme optique placé sur une feuille de verre horizontal, dévier le faisceau laser par rapport à l’axe optique simulant une pente de surface eau connue.
- Exemple le PSD sorties du faisceau laser dévié à l’écran par diffusion à l’aide d’un oscilloscope ou un programme d’acquisition de données sur mesure.
- Calculer l’angle de déflexion du faisceau et la pente de la coordonnée spot du faisceau laser coordonnées mesurées ; Comparez le résultat avec l’angle du coin connu.
- Répétez l’opération pour plusieurs angles de déflexion à l’aide d’un ou plusieurs prismes.
Remarque : Les prismes Wedge avec des angles de débattement allant de 2,5 ° à 17,5 ° ont été utilisées ; Si le test échoue en raison d’un mauvais alignement du PSD à l’écran par diffusion, régler manuellement, le PSD pour corriger les défauts d’alignement. Cette procédure est effectuée manuellement à l’aide d’un niveau et un positionnement horizontal 2D et est très chronophage.
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Vérification de la linéarité de la procédure d’étalonnage et le PSD
- Placer une grille équidistants qui a été imprimée sur une feuille transparente à l’écran par diffusion et orientez-la afin que ses axes, de x et y, sont alignés avec le duvet et les directions du vent, respectivement (Figure 4).
Remarque : La grille facilite diriger le rayon laser vers les emplacements souhaités sur l’écran de diffusion commodément et avec précision à l’aide d’un ensemble de prismes ou déplaçant le laser sous l’écran par diffusion dans les directions le long du vent et le vent de travers. - À l’aide de l’ensemble des prismes, dévier le faisceau laser vertical pour obtenir des postes multiples radiales du faisceau laser spot sur l’écran de diffusion tout en conservant le même angle azimutal.
NOTE : Résolution de 1 cm et d’un rayon maximal de 7 cm sont utilisées pour chacun des 9 angles azimutaux. - Passer le faisceau laser à postes multiples dans le x-direction, tout en gardant les y coordonner constante, puis changer la direction du mouvement à yet garder x constant.
NOTE : Plage et résolution utilisés sont similaires à celles de la section précédente. - Recueillir environ 50 points sur la grille pour chaque étalonnage.
Remarque : Les coordonnées spot du faisceau laser sont acquises par le PSD et évaluées à l’aide d’un oscilloscope à deux canaux standard connecté au PSD.- Pour chaque direction, utilisation linéaire ajustement des données pour obtenir les coefficients d’étalonnage pour convertir les coordonnées du faisceau laser sur le capteur PSD en coordonnées correspondantes à l’écran par diffusion.
Remarque : Un exemple de l’étalonnage de la PSD est tracé à la Figure 5 pour un ensemble de points pris le long de l’axe central de la section de l’essai. La réponse du capteur et donc les coefficients d’étalonnage, est presque identique dans tous les sens lorsque les axes de l’écran de diffusion et le capteur sont alignés correctement. La grille facilite la procédure d’étalonnage, ce qui permet une détermination facile des laser pente coordonnées sur l’écran de diffusion.
- Pour chaque direction, utilisation linéaire ajustement des données pour obtenir les coefficients d’étalonnage pour convertir les coordonnées du faisceau laser sur le capteur PSD en coordonnées correspondantes à l’écran par diffusion.
- Placer une grille équidistants qui a été imprimée sur une feuille transparente à l’écran par diffusion et orientez-la afin que ses axes, de x et y, sont alignés avec le duvet et les directions du vent, respectivement (Figure 4).
- Vérifier les performances de la LSG après chaque déplacement de l’ensemble du capteur.
Figure 4. La grille écran diffusive. La grille permet de diriger le faisceau laser à l’emplacement désiré sur l’écran de diffusion facilement et avec précision, soit en utilisant un ensemble de prismes ou déplaçant le laser sous l’écran par diffusion dans le long-vent et directions de vent de travers s’il vous plaît cliquez ici pour obtenir une version agrandie de cette figure.
Figure 5. Courbe d’étalonnage PSD. La figure montre que la traduction du PSD sortie tensions aux coordonnées donne des résultats adéquats. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
3. marche à suivre et Acquisition de données
Remarque : Voir figure1 supplémentaire pour l’interface utilisateur utilisée dans les étapes suivantes.
- Régler la fréquence de ventilateur à l’aide d’une interface de programme sur mesure.
Remarque : Une augmentation presque progressive de la vitesse du vent sur la surface de l’eau initialement non perturbée a été appliquée, suivie d’un débit d’air constant pour une durée prescrite (120 s), et un presque impulsif arrêt du ventilateur. - Déterminer le nombre de débits différents vent constant et les paramètres requis du ventilateur.
- Ajustez les paramètres de capteur de pression à la gamme attendue des variations de pression dynamique détecté par le tube de Pitot.
- Assurez-vous qu’au début de chaque réalisation, il n’y a pas de vent et de la surface de l’eau est intacte (miroir lisse). Démarrer en mode synchrone d’acquisition de données avec le fonctionnement du ventilateur.
- Enregistrer l’élévation instantanée de la surface, les composantes de la pente de la surface dans le long-des directions de vent de travers, le Pitot tube sortie contrôle la vitesse du vent moyenne Uet taux de la variation de tension entre le contrôleur de ventilateur à l’échantillonnage prescrit () 300 Hz/canal ont été utilisées).
Remarque : La tension de vague-jauge acquise par le programme est convertie automatiquement en élévation de la surface à l’aide des coefficients d’étalonnage de l’ajustement présentée à la Figure 3. - Continuer l’échantillonnage pendant un temps suffisant enregistrer le terrain vague en décomposition après l’arrêt du ventilateur.
- À la fin de l’échantillonnage, assurez-vous que la procédure expérimentale automatique permet pendant un temps suffisant (selon le système) pour mettre la surface de l’eau non perturbé état avant le début de la prochaine exécution de.
- Enregistrer toutes les données enregistrées dans le traitement subséquent.
- Effectuer le nombre de réalisations (habituellement 100 essais indépendants ont été jugées suffisantes).
- Paramètres de calcul de moyennes sur l’ensemble des données enregistrées en fonction du temps écoulé depuis l’ouverture du ventilateur.
- Répétez l’ensemble de la procédure pour réglage du ventilateur correspond à la vitesse du vent cible sélectionné dans la section de l’essai suivant.
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Representative Results
Les résultats de moyenne ensemble représentatifs sont tracés dans la Figure 6et Figure 7, Figure 8. La variation des valeurs efficaces de l’élévation de la surface instantané <η2>1/2 qui caractérise l’amplitude des ondes de vent aléatoires tels que présentés dans la Figure 6 en fonction du temps écoulé depuis le initiation de la soufflerie. Les résultats sont présentés pour les 3 distances de la wavemaker, xet pour les vitesses de vent trois cibles, U.
Pour extraction fixe x, l’amplitude d’onde caractéristique état quasi-stationnaire équilibre augmente avec la vitesse du vent U; Toutefois, la durée requise pour atteindre la valeur quasie constante <η2>1/2 après que l’initiation du ventilateur ne semble pas dépendre fortement de U à toute donnée x. Les valeurs d’équilibre des amplitudes onde caractéristique d’une valeur cible constante du vent forçant U augmentent avec fetch. Notez également que la variation dans le taux de variation de <η2>1/2 est identifiable dans chaque courbe illustrée à la Figure 6, ce qui semble indiquer clairement que les stades distincts existent dans la croissance de vent-vagues processus. Les moyennes sur l’ensemble des valeurs de RMS de l’étape vent arrière et de composants de pente par vent de travers et <ηx2>1/2 <ηy2>1/ 2, sont tracées à la Figure 7 pour deux extractions et deux valeurs de la vitesse du vent U.
Il ressort de la comparaison de la Figure 6 et Figure 7 que le temps caractéristique échelles de variation des deux composantes de la pente de la surface sont notamment plus courts que les échelles correspondantes de la variation de l’élévation de la surface. Les valeurs quasi constante de <ηx2>1/2 et de1/<ηy2>2 sont du même ordre de grandeur, bien que la caractéristique pistes dans la direction du vent sont plus petits que les pentes dans le sens du vent le long. Ces résultats indiquent que les vagues de vent sont courtes à aigrettes et en trois dimensions. Les valeurs de pente caractéristique dans les deux sens sous vent quasi permanente forçant semblent être essentiellement indépendante de fetch x, mais augmentent avec la vitesse du vent U. Regarder de plus près la variation temporelle des composantes fixes x et U deux pente révèle que l’augmentation initiale <ηx2>1/2 se retrouve systématiquement et notamment plus vite que celle de <ηy2>1/2. Ainsi, durant le stade très précoce de la croissance des ondulations initiales qui apparaissent sur la surface de l’eau calme avec l’activation du vent, il peuvent considérer comme environ deux dimensions. Cette étape dure seulement pour une fraction d’une seconde ; Néanmoins, il est important de souligner que la tridimensionnalité essentielle du champ vague se développe avec un certain délai.
Le comportement du champ vague après que l’arrêt du ventilateur est illustré à la Figure 8. Les vagues restant dans le réservoir diminue rapidement, efficacement disparaître après environ 1 min.
Figure 6. La variation temporelle de la RMS de l’élévation de la surface. La figure montre que les échelles de temps de variation de la hauteur d’onde caractéristique représentée par <η2>1/2 dépendent de la vitesse du vent cible U et sur l’extraction x. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7. Variation avec le temps de la RMS, les composants de la pente de la surface sous le vent/vent. Les moyennes sur l’ensemble des valeurs de RMS de l’étape vent arrière et de composants de pente par vent de travers et <ηx2>1/2 <ηy2>1/2, sont présentées ici. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8. Désintégration de la vague de vent déposée après l’arrêt du ventilateur. Les moyennes sur l’ensemble des valeurs de RMS de l’étape vent arrière et composants de pente par vent de travers, <ηx2>1/2 et <ηy2>1/2, sont illustrée à la Figure 7 pour deux extractions et deux valeurs de la vitesse du vent U. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Supplémentaire Figure 1 : interface-utilisateur du logiciel sur mesure pour l’acquisition de données. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
Le présent protocole expérimental vise la caractérisation quantitative d’un champ d’ondes sous le vent instable forçage qui évolue dans le temps et l’espace. Puisque le vent-vagues sont essentiellement aléatoire et en trois dimensions et donc varient rapidement dans le temps et l’espace, comptes rendus de réalisations individuelles d’un champ de vent-vague croissante sous vent dépendant du temps forçant ne peuvent fournir que des évaluations qualitatives des directeurs paramètres de l’onde. Pour atteindre l’objectif du présent protocole et d’obtenir des caractéristiques ondulatoires de statistiquement fiable et fetch-dépendant du temps, résolue en temps ensemble avec une moyenne de nombreuses pistes expérimentales avec un modèle identique de variation de vent dans le temps doit être appliquée. L’accumulation de ces informations détaillées et étendues pour les vitesses de vent différentes cibles et extractions étant extrêmement laborieux, la procédure expérimentale doit être automatisé et suffisamment souple pour permettre les ajustements nécessaires pour différents conditions de forçages du vent. Au meilleur de notre connaissance, la procédure expérimentale décrite dans ce manuscrit qui est capable de fournir des paramètres de champ de diverses statistiques vague sous le vent variable forçant avec résolution temporelle et spatiale était en grande partie non disponible jusqu'à présent.
Notez que la durée des expériences nécessaires pour effectuer des mesures de vent-vagues dans une vague de laboratoire réservoir augmente de façon significative avec la taille de l’installation. Cela est partiellement parce que la durée de la phase de croissance vague augmente avec fetch (voir Figure 6). Les périodes et les longueurs d’onde aussi grandir avec fetch17,21,23,24, donc pour accumuler des données statistiquement représentatives, la durée de l’expérience dans chaque terme doit être longue par rapport à la période correspondante de l’onde dominante. Réalisations individuelles à des extractions beaucoup plus longues que celles employées dans la présente étude ont ainsi à être plus longs. Plus important encore, les plus longues longueurs d’onde excité par le vent dans toute installation expérimentale sont de l’ordre de la longueur caractéristique de la cuve. Les vagues résiduelles restant dans le réservoir après l’arrêt du vent dans une installation plus grande donc exigent plus longs pour leur décomposition. L’intervalle entre les essais consécutifs dans un plus grand réservoir de vent-vagues doit retourner à la surface de l’eau non perturbés doit donc être beaucoup plus longtemps que l’intervalle de six minutes utilisée dans nos expériences.
L’approche générale décrite ci-dessus peut être appliquée pour une variété de vent stable et instable, forçant les conditions. Dans ce manuscrit, la variation temporelle du forçage de vent a été sélectionnée dans le but de permettre l’accumulation d’un corps suffisamment de données pour étudier le champ d’onde instable sous vent effectivement impulsif forcer et d’arrêt, ainsi que sous le vent constant forçant. À cette fin, on a veillé à s’assurer que la surface de l’eau était calme et paisible avant le début de chaque essai expérimental. À chaque itération, le vent était presque impulsivement lancé par le ventilateur, puis le débit est resté constant pendant une période suffisamment longue (2 min dans ces expériences), après quoi le ventilateur a été fermé. Cette approche permet d’étudier séparément dans le temps en évolution champs de vent-vagues de plus en plus de la surface de l’eau au départ calme à l’état quasi-stationnaire à la vitesse d’extraction et vent donnée, puis la caractéristique des ondes sous le vent constant de forçage et enfin la décomposition des ondes dès que le vent force s’arrête brusquement.
La durée de chaque réalisation individuelle dans la présente étude qui contient le calme vers le bas de la période ainsi est supérieur à 8 min. Par conséquent, des expériences dans lesquelles les données sont accumulent pour 100 indépendants s’exécute à une extraction simple et vitesse du vent cible durer près de 15 heures (y compris la durée de la procédure d’étalonnage de manomètre vague). Il est évident que, pour une telle entreprise soit réussie, il est impératif que l’ensemble de la procédure expérimentale peut être effectué automatiquement, c'est-à-dire sans intervention humaine.
Il donc est à souligner que les deux la taille modeste de notre installation et les procédures de mesure et de calibration automatiques ont été cruciales pour la mise en œuvre de la démarche expérimentale adoptée. Alors que les résultats détaillés sur l’évolution de champ de vent-vagues sous forçage instable seront présentés à l’avenir ailleurs, il ressort de la Figure 6et Figure 7 Figure 8 que les informations précédemment indisponibles en fine Détails du l’évolution du vent-des vagues s’accumule dans la présente étude. Cette information servira à valider les modèles théoriques différents qui traitent de l’excitation de vagues par vent1,2,3,4,5,24.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le FNS Israël, subvention # 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).
