定常および時間変化の風強制の下で風波浪水槽における波の計測
Summary
本稿では、水面波の定常および非定常風の小規模な施設で強制励起の実験から信頼性の高い統計パラメーターを取得できるように完全にコンピューター制御の手順について説明します。
Abstract
本稿では、強制的に時間に依存し、安定した風によって励起された水の波の時空進化上多様な定量的情報を得ることができる実験手順について説明します。静電容量型波ゲージとレーザー傾斜計 (LSG) 瞬間湯サーフェスの標高と風波施設のテスト セクションに沿って場所の数で瞬時の地表面の傾斜の 2 つのコンポーネントを測定する使用されます。コンピューター制御送風機は、その率は時間で変わることができるタンクの水を空気の流れを提供します。現在の実験では、テスト セクション内風速当初すぐに増加残りの部分から設定値に。それは保存されます一定期間の定め。最後に、空気の流れをシャット ダウンします。各実験の実行の先頭に、水面は穏やか、風がないです。コンピューターで、すべてのセンサーによって提供されるデータの取得と送風機の操作が同時に開始されました。データ集録には、タンク内の波が完全に崩壊するまで続けています。統計的に信頼性の高いアンサンブル平均特性パラメーターを決定する定量的として開発初期段階の風波の変動を説明する強制的同一の条件の下で実行される複数の独立した実行を許可します。フェッチの機能。回のフェッチ関数として風をシャット ダウンで安定した風を強制的に、下波の空間の進化だけでなく、波の減衰を特徴付けるプロシージャができます。
Introduction
古来、水の表面波が風で興奮しているはよく知られているだった。このプロセスを支配する物理的なメカニズムの現在の理解は決して満足できます。その信頼性の高い実験的検証はまだ利用できませんが年1,2,3,4、上風波を説明しようと数多くの理論を提案しました。海でランダムな風・波の測定方向だけでなく大きさですぐに変わるかもしれない予測不可能な風による非常に挑戦しています。実験室には、長期かつ再現可能な測定を可能にする制御の条件の利点があります。
実験室環境での強制定常風、風波は空間で進化します。着実な強制の下で波の初期の実験は、瞬時のサーフェス標高測定5,6,7,8に限られていた数十年前を実行します。最近の研究はまた、LSG9,10などの瞬時の水表面の傾斜角度の測定に様々 な光学技術を採用しました。これらの測定は、風波動場の三次元構造に関する定性的情報を限られたいくつかの取得を許可しました。フィールド実験では、風を強制的に安定したが、追加が複雑になる水波の励振の問題に風、結果として得られる波の統計的パラメーター空間だけでなく時間もが異なるため。時間依存性の強制の下で定性的・定量的波進化パターンを記述するところの試行がのみ部分的に成功した11,12,13,14,15,16. 励起につながる可能性があります別の説得力のある物理メカニズムの相対的な貢献と風による波の成長はほとんど不明のまま。
私たちの実験施設は、いずれかの点灯または非定常風の強制の下で風波フィールド特性の変化に関する正確かつ多様な統計情報の蓄積を有効にすることを目的として設計されました。2 つの主要な要因は、これらの詳細な研究の遂行を促進しました。まず、施設結果を比較的短い特徴的な進化での適度なサイズは、時間と空間のスケールします。第二に、全体の実験はでき異なる実験条件下での実験の実行のパフォーマンスと実質的に自動的に人間の介入なし、コンピューターによって完全に制御されます。実験の設定のこれらの機能は、衝動的な風によって残りの部分から波で実験を行うことで重要です。
安定した加温風波の空間の成長は、風の速度の17の範囲のための私たちの施設で研究されています。提示する植物19マイル18理論に基づく成長率予測と比較しました。比較では、特に理論的予測と実験の結果は異なることを明らかにしました。追加の重要なパラメーターは、テスト セクションと同様、絶対値と特性の静圧変動のフェーズでの平均圧力降下の得られた17もあった。空気-水界面せん断応力は、風と波の17,19間の運動量とエネルギーの転送の評価に不可欠です。したがって、対数の境界層と水面波で多数のファイルのフェッチを行ったし、風の速度20空気流中における乱流の変動の測定の詳細。摩擦速度u*今回決定した空気-水界面での値は、当社施設21単位風波の無次元の統計的パラメーターを取得する使用されました。これらの値は、大規模なインストールや実験とフィールド実験で得られた対応する無次元パラメーターと比較しました。それを示した21以前大きい研究所で蓄積された、適切なスケーリング、私たち小規模の施設で得られた風波の重要な特性大差ない対応するデータからインストールと外洋の測定。これらのパラメーターには、代表的な波の高さと、高次統計モーメントの値と同様に、サーフェスの標高の周波数スペクトルの形状の波の長さの空間的成長が含まれます。
当社施設22,23で実施、その後の研究は、波も風もランダムと三次元で本質的にことを示した。風波の 3 D 構造によりよい洞察力を得るためステレオ ビデオ イメージング22を使用して拡張領域に水表面高度の時間依存性の測定を実行することを試みました。不十分なコンピューター電源が存在し、処理のアルゴリズムはまだ十分に有効利用可能、ためこれらの試みは部分的に成功しただけことが分かった。しかし、従来の静電波ゲージと、LSG の併用が風の波の空間構造の貴重な情報を提供することを実証しました。両方のこれらの楽器の同時適用は、瞬時のサーフェスの標高と瞬時斜面23の 2 つのコンポーネントの高時間分解能独立で測定できます。これらの測定値は、両方の支配的な周波数の推定と波と風に垂直な方向に波構造に洞察力を提供する支配的な波の長さを許可します。コンピューター制御のモーターで垂直方向に動かすことができる、ピトー管はセンサーのセットを補完する、風の速度の測定に使用されます。
定常ランダム性と波の結果も測定のパラメーターの有意な変動で風の作られたクリア風を強制的にこれらのすべての研究、1 つの測定場所。したがって、延長期間の測定波のスケールは信頼できる統計量を抽出するために十分な情報の蓄積に必要な特性の時間に見合った測定。波動場の空間的変化を支配するメカニズムに貴重な物理的な洞察力を得るためには、テスト セクションでできるだけ風の流量の値の数だけ、多数の場所で測定を実施することが不可欠です。この目標を達成するためにつまり、高い自動実験手順を適用することが望ましい。
強制的に非定常風圧による励起の実験では、複雑さの追加レベルをご紹介します。このような研究では、風速の瞬時レベルに瞬時の測定パラメーターに関連することが不可欠です。重要な例として強制ほぼ衝動的な風によって残りの部分から興奮波の実験を検討してください。この場合、次の同じ所定のパターン24時間で変化する風の作用の下で進化する風波の多数の独立した測定が必要です。独立した認識の蓄積されたアンサンブルから抽出したデータを平均することによって、空気の流れの開始から経過した時間の関数として表されます、有意義な統計パラメーターを算出します。この事業には、何十、何百時間もの連続サンプリングを伴うことがあります。このような野心的なタスクを達成するために必要な実験的セッションの合計時間は、実験は完全に自動化されている場合を除き、不可能、アプローチ全体をレンダリングします。最近まで風波設備完全コンピューターこのような実験手順は開発されてないです。非定常強制の下で風波に関する信頼できる統計データの不足のための主な理由間にあること。
市販から実験用に供する施設を構築しないので市販のハードウェア、その主要部分の簡単な説明はこちら
図 1。回路図 (拡張しない) 実験施設のビュー 。1 送風機;2-流入セトリング室;3 流出セトリング室;4-サイレンサー。5-テスト セクション;6 – ビーチ;7-熱交換器;8-ハニカム;9-ノズル;10-wavemaker;11-フラップ;12-楽器運送;13 ステッピング モーターによって駆動される波ゲージ14-ピトー管ステッピング モーターによって駆動されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
(スケマティック ビューは、図 1に示す) 波浪水槽を介してマウントされたクローズド ループの風洞実験施設で構成されます。テスト セクションは 5 m、幅 0.4 m と 0.5 m 深いです。側壁と床の 6 mm 厚のガラス板から成っているアルミニウム プロファイル製フレームに含まれています。40 cm の長いフラップは、水表面にノズルから空気の流れの断面の滑らかな拡張を提供します。タンクの遠端に波エネルギー吸収製多孔性充填剤のビーチがあります。コンピューター制御送風機では、15 m/s までテスト セクションの平均流速を達成することができます。
カスタムメイドの静電容量型 100 mm ロング ウェーブ ゲージは、陽極酸化タンタル製です。0.3 mm の線は、波計の校正用に設計された PC 制御ステップ モーターによって駆動される垂直ステージにマウントされます。直径 3 mm のピトー管は、テスト セクションの中央通気部分における動圧を測定に使用されます。
LSG、瞬時二次元水地表面の傾斜の測定は、タンク (図 2) に沿って任意の場所に配置することができますテスト セクションから切り離されたフレームにインストールされます。LSG は、4 つの部分で構成されています: レーザー ダイオード、フレネル レンズ、拡散の画面、および位置検出器 (PSD) アセンブリ。レーザー ダイオードは、約 0.5 mm の直径との 650 nm (赤)、200 mW フォーカス レーザー ビームを生成します。26.4 cm 直径 22.86 cm の焦点距離のフレネル レンズは、レンズの後焦点面に 25 × 25 cm2拡散画面に着信のレーザービームを指示します。
図 2。スケマティク ビューのレーザー傾斜計 (LSG).1 レーザー ダイオード。2-フレネル レンズです。3 拡散の画面;4-位置センサー検出器 (PSD)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
このプロトコルでは、時間依存の風強制の下で非定常波数多くパラメーターの定量実験を行うことができる手順について説明します。プロシージャは、任意の風速目的依存性実験施設の技術的制限の観点から達成することができる時間を調整できます。この議定書では、特に実験最初穏やかな水に風がほぼ衝動的開始するすべての実現で、について説明します。長く持続を強制的にし、安定した風テスト セクション内どこでも波風準定常状態に達する。ダウン、再びほぼ衝動的に最終的に、風はシャット ダウンします。すべての段階で、複数の波のパラメーターが記録されます。瞬時ローカル風波フィールドを特徴づける数多く統計的に代表的なアンサンブル平均数量の計算は、小説、最近の実験の過程で開発されたことができる手順は、私たちの施設で実施22,23,24。
Protocol
Representative Results
Discussion
現在実験的なプロトコルは、時間と空間で進化する非定常風圧の強制の下で波の定量的評価を目指しています。風波でランダムと三次元、本質的には、そのため迅速に時間と空間でいろいろ時間依存の風強制の下で成長している風波の個々 の認識のレコード管理の質的な見積もりで提供できるだけ波パラメーター。このプロトコルの目標を達成し、統計的信頼性の高い時間とフェッチ依存波…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、イスラエル科学財団によって支えられたグラント # 306/15。
Materials
| 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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