Summary
Questo manoscritto descrive una procedura completamente computerizzato che permette di ottenere dei parametri statistici affidabili da esperimenti di onde d'acqua eccitate forzando vento stabile e instabile in una struttura di piccole dimensioni.
Abstract
Questo manoscritto descrive una procedura sperimentale che permette di ottenere diverse informazioni quantitative sull'evoluzione temporale e spaziale delle onde di acqua eccitate forzando dipendente dal tempo e costante vento. Indicatore di capacità-tipo onda e Laser pendenza Gauge (LSG) sono utilizzati per misurare la quota altimetrica della superficie acqua istantaneo e due componenti del versante di superficie istantaneo in un certo numero di posizioni lungo la sezione di test di un impianto di ondata di vento. Il soffiatore computerizzato fornisce il flusso d'aria sopra l'acqua nel serbatoio in cui il tasso può variare nel tempo. Negli esperimenti attuali, la velocità del vento nel tratto di prova inizialmente aumenta rapidamente da resto al valore impostato. Viene quindi mantenuta costante per tutta la durata prescritta; Infine, il flusso d'aria viene arrestato. All'inizio di ogni esecuzione sperimentale, la superficie dell'acqua è calma e non c'è vento. Funzionamento del ventilatore è iniziata contemporaneamente con l'acquisizione dei dati forniti da tutti i sensori di un computer; acquisizione dati continua fino a quando le onde nel serbatoio completamente decadono. Più esecuzioni indipendenti eseguite in condizioni identiche di forzatura consentono di stabilire statisticamente affidabili parametri caratteristici una media di ensemble che descrivono quantitativamente variazione di onde di vento in tempo per la fase di sviluppo iniziale come un funzione di recupero. La procedura consente, inoltre, che caratterizzano l'evoluzione spaziale del campo d'onda sotto vento costante forzatura, così come il decadimento delle onde nel tempo, una volta che il vento viene arrestato, come una funzione di recupero.
Introduction
Fin dai tempi antichi, è stato ben noto che le onde sulle superfici dell'acqua sono eccitate dal vento. La comprensione corrente dei meccanismi fisici che regolano questo processo è lungi dall'essere soddisfacente. Numerose teorie che tentano di descrivere vento-generazione sono stati proposti sulle anni1,2,3,4, tuttavia la loro validazione sperimentale affidabile non è ancora disponibile. Misure delle onde di vento casuale nell'oceano sono estremamente impegnative a causa del vento imprevedibile che può variare rapidamente in direzione pure come grandezza. Esperimenti di laboratorio hanno il vantaggio di condizioni controllabili che permettono misurazioni prolungate e ripetibili.
Sotto vento costante forzatura nell'ambiente di laboratorio, onde di vento si evolvono nello spazio. I primi esperimenti di laboratorio su onde sotto costante forzatura eseguite decenni fa erano limitati a quota altimetrica della superficie istantanea misure5,6,7,8. Gli studi più recenti anche impiegate varie tecniche ottiche per misurare l'angolo di inclinazione superficie acqua istantaneo, ad esempio LSG9,10. Tali misurazioni consentito ottenere alcune limitate informazioni qualitative sulla struttura tridimensionale dei campi di vento-onda. Quando vento costringendo è instabile, in quanto è in esperimenti sul campo, ulteriore complessità viene introdotto il problema dell'eccitazione di onde di acqua dal vento, dal momento che i parametri statistici del campo d'onda risultante variano non solo nello spazio ma nel tempo pure. I tentativi fatti finora per descrivere i modelli di evoluzione onda qualitativamente e quantitativamente sotto dipendente dal tempo costringendo erano solo parzialmente successo11,12,13,14 , 15 , 16. il contributo relativo dei diversi meccanismi fisici plausibili che possono portare all'eccitazione e crescita delle onde a causa dell'azione del vento rimane in gran parte sconosciute.
Il nostro impianto sperimentale è stato progettato con lo scopo di consentire l'accumulo di informazione statistica accurate e diversificate sulla variazione delle caratteristiche del campo di vento-onda sotto costringendo entrambi vento stabile o instabile. Due fattori principali facilitato svolgere questi studi dettagliati. In primo luogo, le dimensioni modeste dei risultati struttura in evoluzione caratteristica relativamente breve scale nel tempo e nello spazio. In secondo luogo, l'intero esperimento è completamente controllato da un computer, consentendo in tal modo le prestazioni del sperimentale gira sotto diverse condizioni sperimentali automaticamente e praticamente senza alcun intervento umano. Queste caratteristiche della disposizione sperimentale sono di importanza cruciale nell'esecuzione di esperimenti sulle onde eccitate dal resto dal vento impulsivo.
Crescita spaziale delle onde di vento sotto costante forzatura è stato studiato nel nostro stabilimento per una gamma di vento velocità17. Risultati sono stati confrontati con le stime del tasso di crescita basate sulla teoria18 Miles come presentato da pianta19. Il confronto ha rivelato che i risultati sperimentali differiscono considerevolmente dalle previsioni teoriche. Ulteriori parametri importanti sono stati inoltre ottenuti in17, ad esempio per eliminare la pressione media nella sezione test, come pure i valori assoluti e fasi delle fluttuazioni di pressione statica caratteristica. La sollecitazione di taglio all'interfaccia aria-acqua è essenziale per la caratterizzazione del trasferimento di quantità di moto ed energia tra vento e onde17,19. Di conseguenza, le misure di strato di contorno logaritmico e le fluttuazioni turbolente nel flusso d'aria sopra l'acqua, le onde sono state eseguite a numerose operazioni di recupero e vento velocità20dettagliate. I valori di attrito velocità u* all'interfaccia aria-acqua determinato in questo studio sono stati utilizzati per ottenere parametri adimensionali statistici delle onde vento misurate nel nostro impianto21. Questi valori sono stati confrontati con i corrispondenti parametri adimensionali ottenuti in grandi installazioni sperimentali ed esperimenti sul campo. È stato dimostrato in precedenza21 che con scala adeguata, le caratteristiche importanti del campo di vento-onda ottenuta nella nostra struttura su piccola scala non differiscono significativamente dai dati corrispondenti accumulato nel più grande laboratorio installazioni e misure in mare aperto. Questi parametri comprendono crescita spaziale dell'altezza d'onda rappresentative e lunghezza d'onda, la forma dello spettro di frequenza dell'elevazione superficiale, così come i valori dei più alti momenti statistici.
Gli studi successivi effettuati nel nostro impianto22,23 ha mostrato che il vento le onde sono essenzialmente casuale e tridimensionale. Per ottenere una migliore comprensione delle strutture 3D delle onde di vento, è stato effettuato un tentativo per eseguire misurazioni quantitative dipendente dal tempo di quota altimetrica della superficie dell'acqua sopra un'area estesa con stereo imaging video22. A causa della potenza del computer insufficiente disponibile a algoritmi di elaborazione e presenti che non sono ancora sufficientemente efficaci, questi tentativi è risultato riuscire solo parzialmente. Tuttavia, è stato dimostrato che l'uso combinato di un misuratore di onda di capacitanza-tipo convenzionale e la LSG fornisce informazioni preziose sulla struttura spaziale delle onde di vento. Applicazione simultanea di entrambi tali strumenti consente misurazioni indipendenti con elevata risoluzione temporale dell'elevazione superficie istantanea e dei due componenti della pendenza istantanea della superficie23. Queste misure permettono la stima della frequenza dominante e lunghezza d'onda dominante di onde, così come fornire informazioni sulla struttura di onda nella direzione normale al vento. Un tubo di pitot, che può essere spostata verticalmente da un motore comandato da calcolatore, integra la serie di sensori ed è utilizzato per misure di velocità del vento.
Tutti questi studi precisato che casualità e tridimensionalità del vento onde causare significativa variabilità dei parametri misurati anche per costante vento costringendo e un'unica posizione di misurazione. Così, prolungato misurazioni con durata commisurato con il caratteristico tempo scale del campo d'onda misurata sono necessari per accumulare informazioni sufficienti per l'estrazione di grandezze statistiche affidabili. Per acquisire una conoscenza fisica dei meccanismi che regolano la variazione spaziale del campo d'onda, è imperativo di effettuare misurazioni in numerose località e per altrettanti valori della portata del vento come possibile nel tratto di prova. Per raggiungere questo obiettivo, è quindi altamente consigliabile applicare una procedura sperimentale automatizzata.
Esperimenti sulle onde eccitate da vento instabile costringendo introducono un ulteriore livello di complessità. In tali studi, è imperativo per correlare i parametri misurati istantanei a livello istantaneo della velocità del vento. Esperimenti sulle onde considerare eccitato dal resto forzando un vento quasi impulsivo come un importante esempio. In questo caso, sono necessarie numerose misurazioni indipendenti del campo ondata di vento in continua evoluzione sotto l'azione del vento che varia nel tempo seguendo la stesso schema prestabilito24. Significativo dei parametri statistici, espressi come una funzione del tempo trascorso da quando l'avvio del flusso d'aria, sono quindi calcolati facendo la media dei dati estratti dall'ensemble accumulato delle realizzazioni indipendenti. Questa impresa può coinvolgere decine e centinaia di ore di campionamento continuo. La durata totale delle sessioni sperimentali necessarie per svolgere tale compito ambizioso rende l'intero approccio impraticabile, a meno che l'esperimento è completamente automatizzato. Tale procedura sperimentale completamente computerizzato in strutture ondata di vento non è stato sviluppato fino a poco tempo. Che è tra i motivi principali per la mancanza di dati statistici affidabili sulle onde di vento sotto costringendo instabile.
Poiché l'impianto utilizzato per l'esperimento non è costruito da commercialmente disponibile, hardware COTS, una breve descrizione delle sue parti principali è fornita qui.
Figura 1. Schematica (non in scala) vista della struttura sperimentale. 1 - ventilatore; 2 - afflusso sedimentazione camera; 3 - uscita sedimentazione camera; 4 - scatole silenziatore; 5 - sezione test; con un 6 - spiaggia; 7 - scambiatore di calore; 8 - a nido d'ape; 9 - ugello; 10 - wavemaker; 11 - falda; 12 - trasporto di strumento; 13 - calibro onda azionata da un motore passo-passo; 14 - tubo di Pitot azionata da un motore passo-passo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
L'impianto sperimentale è costituito da una galleria del vento a circuito chiuso montata sopra un serbatoio di onda (una vista schematica è illustrata nella Figura 1). Sezione test è 5 m lungo, 0,4 m di larghezza e 0,5 m di profondità. Il pavimento e le pareti laterali sono costituite da lastre di vetro spessore 6 mm e sono racchiuse all'interno di un telaio in profili di alluminio. Una falda lunga 40 cm fornisce un'espansione liscia della sezione trasversale del flusso d'aria dall'ugello alla superficie dell'acqua. Energia del moto ondoso assorbendo spiaggia fatta di materiale di imballaggio poroso si trova all'estremita ' del serbatoio. Un ventilatore controllato dal computer permette di raggiungere velocità di flusso media aria nel tratto di prova fino a 15 m/s.
Il calibro di 100 mm di lunghezza d'onda di capacitanza-tipo su misura fatta di tantalio anodizzato. filo di 0,3 mm è montato su un palcoscenico verticale azionato da un motore passo controllati da PC progettato per la taratura del calibro di onda. Un tubo di Pitot con un diametro di 3 mm viene utilizzato per misurare la pressione dinamica nella parte centrale del flusso d'aria della sezione di prova.
La LSG, misura la pendenza della superficie acqua istantaneo 2D, viene installato su un telaio indipendente dalla sezione di test che può essere posizionata in qualsiasi posizione lungo il serbatoio (Figura 2). LSG è costituito da quattro parti principali: un diodo laser, una lente di Fresnel, uno schermo diffusivo e un assemblaggio di rivelatore di rilevamento posizione (PSD). Il diodo laser genera un 650 nm (rosso), 200 mW attivabile fascio laser con diametro di circa 0,5 mm. Il 26,4 cm diametro lente di Fresnel con lunghezza focale di 22,86 cm dirige il fascio laser in arrivo alla schermata diffusivo 25x25 cm2 situato nel piano focale posteriore dell'obiettivo.
Figura 2. Vista schematica di Misuratore Laser del pendio (LSG). 1 - laser diodo; 2 - lente di Fresnel; 3 - diffusivo schermo; 4 - posizione sensore rilevatore (PSD). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questo protocollo descrive la procedura che consente di eseguire esperimenti in cui numerosi parametri che caratterizzano le onde instabile sono misurati simultaneamente sotto vento dipendente dal tempo costringendo. La procedura può essere regolata per qualsiasi dipendenza desiderata di velocità del vento il tempo che può essere raggiunto in considerazione delle limitazioni tecniche dell'impianto sperimentale. Il presente protocollo viene descritto in particolare esperimenti in cui in ogni realizzazione, vento quasi impulsivamente ricomincia inizialmente calma acqua. Il vento costante costringendo quindi dura per abbastanza a lungo che il campo di vento-onda ovunque nella sezione test raggiunge stato quasi-stazionario. Il vento è chiusa alla fine giù, ancora quasi impulsivamente. In tutte le fasi, vengono registrati più parametri di onda. La procedura che consente il calcolo di numerose quantità ensemble-media statisticamente rappresentative che caratterizzano il campo istantaneo ondata di vento locale è romanzo ed è stato sviluppato nel corso di recenti esperimenti effettuati nella nostra struttura 22 , 23 , 24.
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Protocol
1. sistema preparazione
- Riempire il serbatoio con acqua del rubinetto fino ad una profondità di circa 20 cm per soddisfare la condizione delle acque profonde; pulire la superficie dell'acqua di eventuali contaminanti che possono influenzare la tensione superficiale.
- Posizionare il carrello strumento l'operazione di recupero desiderato.
- Montare il tubo di Pitot e posizionarlo al centro della parte di flusso d'aria della sezione di prova.
- Montare il manometro onda su un palcoscenico verticale controllato dal computer per consentire la calibrazione statica.
- Posizione l'Assemblea LSG il fetch desiderato e la distanza laterale di circa 7 cm dal contatore onda per eliminare le interferenze dell'onda calibro assembly con il percorso ottico.
Nota: L'uso di una cortina di opaca è consigliato per prevenire l'esposizione del PSD alla luce ambientale, come pure per proteggere l'ambiente dalle riflessioni spurie del fascio laser.- Allineare il laser posizionato sotto il serbatoio dell'acqua in modo che il fascio è diretto verticalmente e focalizzazione del fascio.
- Posizione la lente di fresnel all'interno della sezione di test più in alto possibile sopra la superficie dell'acqua per ridurre al minimo la dispersione dell'obiettivo del flusso dell'aria.
- Assicurarsi che il raggio laser deflesso colpisce la lente nella sua parte centrale sotto le condizioni di vento estreme previsto nella sessione sperimentale.
- Montare lo schermo diffusivo esattamente al piano focale della lente, quindi controllare l'allineamento orizzontale e verticale di sia l'obiettivo e lo schermo.
- Assicuratevi che qualsiasi due fasci laser verticale parallelo colpiscano lo schermo diffusivo esattamente al centro quando la superficie dell'acqua è ancora.
Nota: Questo può essere verificato utilizzando due laser identici posizionati ad una certa distanza gli uni dagli altri. - Posizionare il PSD assicurandosi che l'intera area dello schermo diffusivo è all'interno dell'area efficace del rivelatore. Eseguire regolando le impostazioni di lente alla distanza reale tra l'obiettivo e lo schermo di messa a fuoco della lente PSD.
2. taratura e funzionamento dei sensori
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Calibratura del manometro onda
- Eseguire la taratura del calibro di onda per ogni posizione di misura e ogni velocità massima del vento previsto nel periodo sperimentale.
- Impostare la posizione verticale del sensore in modo che il livello medio di acqua è circa a metà lunghezza i conduttori di rilevamento.
- Impostare la velocità della soffiante al valore desiderato e permettere al vento di soffiare costantemente per un tempo sufficientemente lungo (2-3 min).
- Con un oscilloscopio, regolare manualmente la sensibilità, guadagno e offset del misuratore onda utilizzando il condizionatore per garantire che i valori di tensione corrispondenti a più alta cresta e la depressione minima prevista per il campo dell'onda sono all'interno della gamma di A/D convertitore (+ /-10 V).
- Arrestare il ventilatore per alcuni minuti, fino a quando la superficie dell'acqua diventa completamente indisturbata.
- Verificare che la lunghezza sommersa è previsto massimo cresta e i valori di depressione spostando l'onda calibro verticalmente.
- Eseguire la calibrazione automatica del misuratore onda utilizzando una routine di su misura in acque ferme sommergendo il misuratore in un certo numero di profondità specificato e registrare l'output di tensione media durante 5 s per ogni profondità.
- Montare una calibrazione quadratica polinomiale ai dati registrati per ottenere la dipendenza H(V), dove H è la profondità di immersione (corrispondente alla quota altimetrica della superficie istantanea), in funzione della tensione di uscita Vdi calibro.
- Verificare visivamente la qualità della calibrazione componibile polinomiale (Figura 3).
- Eseguire la taratura del calibro di onda per ogni posizione di misura e ogni velocità massima del vento previsto nel periodo sperimentale.
Figura 3. Curva di taratura del misuratore dell'onda. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Taratura e calibrazione di LSG
- Verificare le prestazioni della LSG dopo ogni spostamento dell'Assemblea di sensore.
- Utilizzando un cuneo ottico prisma appoggiato su un foglio di vetro orizzontale, deviare il raggio laser rispetto all'asse ottico che simula una pendenza della superficie acqua noto.
- Esempio il PSD uscite del fascio laser deviato posto alla schermata diffusiva utilizzando un oscilloscopio o un programma di acquisizione di dati su misura.
- Calcolare l'angolo di deflessione del fascio e la pendenza dalla coordinata spot fascio laser coordinate misurate; confrontare il risultato con l'angolo del cuneo noto.
- Ripetere la procedura per diversi angoli di deflessione utilizzando uno o più prismi.
Nota: Prismi di Cuneo con gli angoli di deflessione che vanno da 2,5 ° a 17,5 ° sono stati utilizzati; Se il test fallisce a causa del disallineamento del PSD con lo schermo diffusivo, regolare manualmente, il PSD per correggere errori di disallineamento. Questa procedura viene eseguita manualmente mediante una fase di traslazione orizzontale 2D e un livello e richiede molto tempo.
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Verifica della linearità della procedura di calibratura e PSD
- Posizionare una griglia equidistante che è stata stampata su un foglio trasparente sullo schermo diffusivo e orientarlo in modo che gli assi, x e y, sono allineati con il down e trasversale direzioni del vento, rispettivamente (Figura 4).
Nota: La griglia facilita dirigere il raggio laser per la località desiderata sullo schermo diffusivo comodamente e con precisione utilizzando una serie di prismi o spostando il laser sotto lo schermo diffusivo in direzioni lungo-vento e vento al traverso. - Utilizzando il set di prismi, deviare il raggio laser verticale per ottenere posizioni multiple radiale del raggio laser spot sullo schermo diffusivo pur mantenendo un angolo azimutale costante.
Nota: Risoluzione di 1 cm e il raggio massimo di 7 cm è utilizzati per ciascuno dei 9 angoli azimutali. - Spostare il punto di laser a posizioni multiple nella x-direzione, mantenendo y coordinare costante, poi cambiare la direzione del movimento ye mantenere costante la x .
Nota: Gamma e risoluzione utilizzata sono simili a quelli nella sezione precedente. - Raccogliere circa 50 punti sulla griglia di partenza in ogni taratura.
Nota: Le coordinate di spot del fascio laser vengono acquisite dal PSD e valutati utilizzando un oscilloscopio a due canali standard collegato al PSD.- Per ogni direzione, uso lineare adatta dei dati per produrre i coefficienti di calibrazione per convertire le coordinate del raggio laser sul sensore PSD per le corrispondenti coordinate sullo schermo diffusivo.
Nota: Un esempio della calibrazione PSD è rappresentato graficamente nella figura 5 per un insieme di punti presi lungo la linea centrale della sezione di prova. La risposta del sensore e così i coefficienti di calibrazione, è quasi identica in tutte le direzioni quando gli assi dello schermo diffusivo e il sensore sono allineati correttamente. La griglia facilita la procedura di calibrazione, permettendo una facile determinazione delle coordinate pendio laser sullo schermo diffusivo.
- Per ogni direzione, uso lineare adatta dei dati per produrre i coefficienti di calibrazione per convertire le coordinate del raggio laser sul sensore PSD per le corrispondenti coordinate sullo schermo diffusivo.
- Posizionare una griglia equidistante che è stata stampata su un foglio trasparente sullo schermo diffusivo e orientarlo in modo che gli assi, x e y, sono allineati con il down e trasversale direzioni del vento, rispettivamente (Figura 4).
- Verificare le prestazioni della LSG dopo ogni spostamento dell'Assemblea di sensore.
Figura 4. La griglia di schermo diffusiva. La griglia facilita dirigere il raggio laser per la località desiderata sullo schermo diffusivo comodamente e con precisione, utilizzando una serie di prismi o spostando il laser sotto lo schermo diffusivo in lungo-vento e direzioni di vento trasversale Clicca qui per Mostra una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Curva di taratura PSD. Nella figura viene illustrato che la traduzione del PSD output tensioni a coordinate produce risultati adeguati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. procedura sperimentale e acquisizione dati
Nota: Vedere complementare figura 1 per l'interfaccia utente utilizzata nei passaggi seguenti.
- Impostare la frequenza di soffiatore utilizzando un'interfaccia di utente del programma personalizzato.
Nota: È stato applicato quasi graduale aumento della velocità del vento sulla superficie dell'acqua inizialmente indisturbati, seguita da un tasso di flusso d'aria costante per una durata prescritta (120 s), e un quasi impulsivo arrestato della soffiante. - Determinare il numero di portate diverse vento costante e le impostazioni necessari soffiatore.
- Regolare le impostazioni del trasduttore di pressione per l'intervallo previsto di variazioni di pressione dinamica rilevata dal tubo Pitot.
- Assicurarsi che all'inizio di ogni realizzazione, non c'è vento e la superficie dell'acqua è indisturbato (specchio liscio). Avvia acquisizione dati in modo sincrono con il funzionamento del ventilatore.
- Registrare la quota altimetrica della superficie istantanea, componenti di pendenza della superficie a lungo- e direzioni di vento trasversale, il Pitot tube output monitoraggio la velocità media del vento U, e la variazione di tensione dal controller soffiatore il campionamento prescritto a votare ( Sono stati utilizzati 300 Hz per canale).
Nota: La tensione da onda-gauge acquisito dal programma viene convertita automaticamente in quota altimetrica della superficie utilizzando i coefficienti di calibrazione dal fit presentato in Figura 3. - Continuare a campionamento per un tempo sufficiente registrare il campo dell'onda decadente dopo lo spegnimento del ventilatore.
- Al termine del campionamento, assicurarsi che la procedura sperimentale automatica consente per un tempo sufficiente (a seconda del sistema) per portare la superficie dell'acqua indisturbati condizione prima dell'inizio dell'esecuzione del successivo.
- Salvare tutti i dati registrati per l'elaborazione successiva.
- Eseguire il numero prescritto di realizzazioni (solitamente 100 esecuzioni indipendenti sono state trovate sufficienti).
- Calcolare i parametri ensemble-fatto la media dei dati registrati come una funzione del tempo trascorso da quando l'avvio del ventilatore.
- Ripetere l'intera procedura per l'impostazione successiva del ventilatore corrispondente alla velocità del vento di destinazione selezionato nella sezione test.
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Representative Results
I risultati di una media di ensemble rappresentante vengono rappresentati in Figura 6, Figura 7e Figura 8. La variazione dei valori RMS di quota altimetrica della superficie istantanea <η2>1/2 che caratterizza l'ampiezza delle onde di vento casuale come presentato nella Figura 6 come funzione del tempo trascorso dalla inizio della soffiante. Risultati sono presentati per 3 Distanze da wavemaker, xe per velocità del vento di tre target, U.
Per recupero fisso x, le ampiezze di onda caratteristica quasi costante stato di equilibrio aumentano con la velocità del vento U; Tuttavia, la durata necessaria a raggiungere il valore quasi costante di <η2>1/2 dopo l'avvio del ventilatore non sembra dipendere fortemente U in qualsiasi dato x. I valori di equilibrio delle ampiezze d'onda caratteristico per un valore di obiettivo costante del vento costringendo U aumentano con fetch. Si noti inoltre che la variazione del tasso di cambiamento di <η2>1/2 è identificabile in ogni curva tracciata in Figura 6, chiaramente suggerendo che fasi distinte esistano nella crescita onde di vento processo. Ensemble-fatto la media di valori RMS di poppa e vento trasversale pendio componenti, <ηx2>1/2 e <ηy2>1/ 2, tracciati in Figura 7 per due operazioni di recupero e due valori di velocità del vento U.
È evidente dal confronto di Figura 6 e Figura 7 che il temporale caratteristica scale di variazione di entrambe le componenti pendenza della superficie sono considerevolmente più breve di scale corrispondenti della variazione di quota altimetrica della superficie. I valori di semi-stazionarie di <ηx2>1/2 e <ηy2>1/2 sono dello stesso ordine di grandezza, anche se la caratteristica piste in direzione vento trasversale sono più piccole di piste in direzione del lungo-vento. Questi risultati indicano che le onde di vento sono breve-crestato e tridimensionale. I valori di pendenza curva in entrambe le direzioni sotto vento quasi costante forzatura sembrano essere essenzialmente indipendente di recupero x, ma aumenta con la velocità del vento U. Guardiamo più da vicino la variazione temporale dei componenti due pendenza per fisso x e U rivela che l'aumento iniziale <ηx2>1/2 è costantemente e in particolare più veloce di quello di <ηy2>1/2. Così, durante la fase iniziale della crescita delle increspature iniziale che appaiono sulla superficie dell'acqua calma con l'attivazione di vento, essi può essere visto come circa bidimensionale. Questa fase dura solo per una frazione di un secondo; Tuttavia, è importante sottolineare che la tridimensionalità essenziale del campo d'onda si sviluppa con un certo ritardo.
Il comportamento del campo d'onda dopo l'arresto del ventilatore è illustrato nella Figura 8. Le onde rimasta nel serbatoio decadde rapidamente, efficacemente scomparsa dopo circa 1 min.
Nella figura 6. Variazione temporale della RMS dell'elevazione superficie. Nella figura viene illustrato che le scale di tempo di variazione dell'altezza onda caratteristica rappresentata da <η2>1/2 dipendono dalla velocità del vento di destinazione U e fetch x. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7. Variazione nel tempo della RMS i componenti di pendenza della superficie sottovento/croce-vento. Ensemble-fatto la media di valori RMS di poppa e vento trasversale pendio componenti, <ηx2>1/2 e <ηy2>1/2, vengono tracciate qui. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Decadimento della vento-onda archiviato dopo lo spegnimento della soffiante. L'ensemble-fatto la media di valori RMS di poppa e vento trasversale pendio componenti, <ηx2>1/2 e <ηy2>1/2, sono disegnate in Figura 7 per due operazioni di recupero e due valori di velocità del vento U. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Complementare figura 1: interfaccia utente software specifici per l'acquisizione dati. Per favore clicca qui per scaricare questo file.
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Discussion
Il presente protocollo sperimentale è rivolto alla caratterizzazione quantitativa del campo d'onda sotto vento instabile costringendo che si evolve nel tempo e nello spazio. Dal vento-onde sono essenzialmente casuale e tridimensionale e variano così rapidamente nel tempo e nello spazio, record di diverse realizzazioni di un campo crescente ondata di vento sotto vento dipendente dal tempo costringendo possono fornire soltanto stime qualitative di governare parametri di onda. Per raggiungere l'obiettivo del presente protocollo e ottenere caratteristiche dell'onda statisticamente affidabile e recupero-dipendente dal tempo, risolta in tempo ensemble con una media di numerose esecuzioni sperimentale con un modello identico di variazione del vento nel tempo deve essere applicato. Poiché l'accumulazione di tali informazioni e dettagliati per velocità del vento di diversi target e operazioni di recupero è estremamente che richiede tempo, la procedura sperimentale deve essere automatizzato e sufficientemente flessibile per consentire gli adeguamenti necessari per diversi forzatura condizioni di vento. Al meglio della nostra conoscenza, la procedura sperimentale descritta in questo manoscritto che è in grado di fornire i parametri di campo diverse statistiche onda sotto vento variabile costringendo con risoluzione temporale e spaziale fu in gran parte non disponibile fino ad ora.
Si noti che la durata degli esperimenti necessari per effettuare misurazioni di ondata di vento in un'onda di laboratorio serbatoio aumenta in modo significativo con la dimensione della struttura. Questo è parzialmente perché la durata della fase di crescita dell'onda aumenta con fetch (vedere la Figura 6). Le lunghezze d'onda e i periodi anche crescono con fetch17,21,23,24, così per accumularsi dati statisticamente rappresentativi, la durata dell'esperimento in ogni esecuzione deve essere lunga rispetto a il corrispondente periodo di onda dominante. Diverse realizzazioni alle operazioni di recupero significativamente più lunghi di quelli impiegati nello studio presente hanno così ad essere più lunghe. Ancora più importante, le lunghezze d'onda più lunghe eccitato dal vento in qualsiasi impianto sperimentale sono dell'ordine della lunghezza caratteristica del serbatoio. Le onde residuale rimasta nel serbatoio dopo l'arresto del vento in un impianto più grande così richiedono tempi più lunghi per il loro decadimento. L'intervallo tra le sedute consecutive in un serbatoio più grande ondata di vento necessario restituire alla superficie acqua indisturbata deve pertanto considerevole più a lungo l'intervallo di sei minuti impiegata nei nostri esperimenti.
L'approccio generale descritto sopra può essere applicato per una varietà di vento costante e instabile costringendo condizioni. In questo manoscritto, la variazione temporale di costringere il vento è stata selezionata con l'obiettivo di permettere l'accumulo di un corpo sufficiente di dati per studiare il campo dell'onda instabile sotto vento efficacemente impulsivo costringendo e arresto, così come sotto vento costante forzatura. A tal fine, la cura è stata presa per garantire che la superficie dell'acqua era tranquillo e indisturbato prima dell'inizio di ogni esecuzione sperimentale. In ogni iterazione, il vento era quasi impulsivamente ha iniziato dal ventilatore, quindi il tasso di flusso d'aria è rimasto costante per un tempo sufficientemente lungo (2 min negli esperimenti attuali), dopo di che il ventilatore è stato arrestato. Questo approccio permette di studiare separatamente temporaneamente in evoluzione campi di vento-onda crescente dalla superficie dell'acqua calma inizialmente allo stato semi-stazionarie presso la data velocità di fetch e vento, quindi la caratteristica delle onde sotto vento costante forzatura e infine il decadimento delle onde una volta vento costringendo viene bruscamente arrestato.
La durata di ogni realizzazione individuale nello studio presente che contiene la calma giù periodo così supera 8 min. Di conseguenza, gli esperimenti in cui i dati vengono accumulati per 100 indipendente viene eseguito in un'unica operazione di recupero e velocità del vento di destinazione durare quasi 15 ore (tra cui la durata della procedura di calibrazione del calibro di onda). È ovvio che per un tale sforzo avere successo, è imperativo che l'intera procedura sperimentale può essere effettuato automaticamente, cioè completamente senza intervento umano.
È così dovrebbe essere sottolineato che entrambe le modeste dimensioni della nostra struttura e le procedure di misurazione e la calibrazione completamente automatiche sono stati fondamentali per l'attuazione dell'approccio sperimentale adottato. Mentre i risultati dettagliati sull'evoluzione del campo di vento-onda sotto instabile costringendo si presenterà in futuro altrove, è evidente dalla Figura 6, Figura 7e Figura 8 che le informazioni precedentemente non disponibili in piccoli dettagli di l'evoluzione di vento-onda è accumulato nello studio presente. Questa informazioni serviranno per convalidare i modelli teorici che si occupano di eccitazione di onde da vento1,2,3,4,5,24.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dalla Israel Science Foundation, grant n. 306/15.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PSD | THORLABS | PDP90A | |
| Laser Diode | any laser pointer ≤ 200 mW | ||
| Aspheric Fresnel Lens | EDMUND OPTICS | #46-390 | Diameter 10.4'', Focal length 9'' |
| Wave-gauge | custom made | ||
| Pressure Transducer | MAMAC SYSTEMS | PR-274-R2-VDC | |
| Signal Conditioner | custom made | ||
| Diffusive screen | EDMUND OPTICS | #02-147 | |
| Water tank | custome made | ||
| A/D card PCI-6221 | National Instruments | 779066-01 | |
| Pitot tube | KIMO Instruments | 12971 | |
| 15° Nom. VIS-NIR Coated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #47-624 | |
| 10° Nom. VIS 0° Coated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #49-444 | |
| 2.5° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated | EDMUND OPTICS | #84-863 | |
| 4° Nom. Uncoated, Wedge Prism | EDMUND OPTICS | #43-650 | |
| 5.0° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated | EDMUND OPTICS | #84-865 | |
| LabView Full Development System | National Instruments | 776670-35 |
References
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