एक हवा में लहरों के माप-लहर के तहत टैंक स्थिर और समय अलग हवा मजबूर
Summary
इस पांडुलिपि का वर्णन एक पूरी तरह से कंप्यूटर नियंत्रित प्रक्रिया है कि स्थिर और अस्थिर हवा एक छोटे पैमाने पर सुविधा में मजबूर द्वारा उत्साहित पानी तरंगों के प्रयोगों से विश्वसनीय सांख्यिकीय मापदंडों प्राप्त करने की अनुमति देता है ।
Abstract
इस पांडुलिपि एक प्रयोगात्मक प्रक्रिया है कि जल समय पर निर्भर है और स्थिर हवा मजबूर कर तरंगों के लौकिक और स्थानिक विकास पर विविध मात्रात्मक जानकारी प्राप्त करने की अनुमति देता है वर्णन करता है । समाई-प्रकार तरंग गेज और लेजर ढलान गेज (LSG) तात्कालिक पानी की सतह ऊंचाई और एक हवा की लहर सुविधा के परीक्षण अनुभाग के साथ स्थानों की एक संख्या में तात्कालिक सतह ढलान के दो घटकों को मापने के लिए उपयोग किया जाता है । कंप्यूटर नियंत्रित ब्लोअर टैंक में पानी के ऊपर airflow प्रदान करता है जिसकी दर समय में भिंन हो सकती है । वर्तमान प्रयोगों में, परीक्षण खंड में हवा की गति शुरू में आराम से सेट मूल्य को जल्दी से बढ़ जाती है । यह तो निर्धारित अवधि के लिए स्थिर रखा है; अंत में, airflow बंद है । प्रत्येक प्रयोगात्मक चलाने की शुरुआत में, पानी की सतह शांत है और वहां कोई हवा है । धौंकनी का संचालन एक साथ एक कंप्यूटर द्वारा सभी सेंसरों द्वारा उपलब्ध कराए गए डेटा के अधिग्रहण के साथ शुरू की है; जब तक टैंक में तरंगों पूरी तरह से क्षय डेटा अधिग्रहण जारी है । एकाधिक स्वतंत्र समान मजबूर शर्तों के तहत प्रदर्शन की अनुमति देता है सांख्यिकीय विश्वसनीय पहनावा-औसत विशेषता पैरामीटर है कि मात्रात्मक एक के रूप में प्रारंभिक विकास के चरण के लिए समय में हवा-तरंगों ‘ भिंनता का वर्णन का निर्धारण फ़ेच का कार्य । प्रक्रिया भी स्थिर हवा मजबूर के तहत लहर क्षेत्र के स्थानिक विकास निस्र्पक अनुमति देता है, साथ ही समय में तरंगों के क्षय, एक बार हवा बंद है, लाने के एक समारोह के रूप में ।
Introduction
प्राचीन काल से, यह अच्छी तरह से जाना जाता है कि पानी सतहों पर लहरों हवा से उत्साहित कर रहे हैं । इस प्रक्रिया को नियंत्रित करने वाले भौतिक तंत्र की वर्तमान समझ संतोषजनक से दूर है । कई हवा का वर्णन करने का प्रयास-लहर पीढ़ी के वर्षों1,2,3,4, लेकिन उनके विश्वसनीय प्रयोगात्मक सत्यापन अभी तक उपलब्ध नहीं है पर प्रस्तावित थे सिद्धांतों । समुद्र में यादृच्छिक हवा की माप-लहरों बेहद अप्रत्याशित हवा है कि जल्दी दिशा में और साथ ही परिमाण में भिंन हो सकते है के कारण चुनौतीपूर्ण हैं । प्रयोगशाला प्रयोगों नियंत्रणीय स्थितियों है कि लंबे समय तक और दोहराने माप सक्षम का लाभ है ।
प्रयोगशाला के वातावरण में स्थिर हवा के तहत, हवा-लहरों अंतरिक्ष में विकसित । स्थिर मजबूर कर दशकों पहले प्रदर्शन के तहत लहरों पर प्रारंभिक प्रयोगशाला प्रयोगों तात्कालिक सतह ऊंचाई माप5,6,7,8तक ही सीमित थे । हाल ही में अध्ययन भी विभिंन ऑप्टिकल तकनीक को तात्कालिक पानी की सतह झुकाव कोण जैसे LSG9,10के उपाय, कार्यरत हैं । उन माप हवा के तीन आयामी संरचना-लहर क्षेत्रों पर कुछ सीमित गुणात्मक जानकारी प्राप्त करने की अनुमति दी । जब मजबूर हवा अस्थिर है, के रूप में यह क्षेत्र प्रयोगों में है, अतिरिक्त जटिलता हवा से पानी लहरें ‘ उत्तेजना की समस्या के लिए शुरू की है, जिसके परिणामस्वरूप लहर क्षेत्र के सांख्यिकीय मापदंडों न सिर्फ अंतरिक्ष में बदलती है, लेकिन समय में के रूप में अच्छी तरह से । अब तक किया प्रयास लहर विकास पैटर्न का वर्णन करने के लिए गुणात्मक और मात्रात्मक समय के तहत निर्भर के तहत ही आंशिक रूप से सफल रहे थे11,12,13,14 , 15 , 16. विभिंन प्रशंसनीय भौतिक तंत्र के सापेक्ष योगदान है कि उत्तेजना और हवा कार्रवाई की वजह से तरंगों के विकास के लिए नेतृत्व कर सकते है मोटे तौर पर अज्ञात रहता है ।
हमारी प्रायोगिक सुविधा या तो स्थिर या अस्थिर हवा मजबूर के तहत हवा लहर क्षेत्र विशेषताओं की भिन्नता पर सटीक और विविध सांख्यिकीय जानकारी के संचय को सक्षम करने के उद्देश्य से बनाया गया था । दो प्रमुख कारकों इन विस्तृत अध्ययन ले जाने की सुविधा । सबसे पहले, सुविधा के समय और अंतरिक्ष में अपेक्षाकृत कम विशिष्ट विकास तराजू में परिणाम की मामूली आकार । दूसरा, पूरे प्रयोग पूरी तरह से एक कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, इस प्रकार प्रयोगात्मक रन के प्रदर्शन को सक्षम करने के लिए अलग प्रायोगिक शर्तों के तहत स्वचालित रूप से और व्यावहारिक रूप से मानवीय हस्तक्षेप के बिना । प्रयोगात्मक सेट अप की इन सुविधाओं को आवेगी हवा द्वारा आराम से उत्तेजित लहरों पर प्रयोगों प्रदर्शन में महत्वपूर्ण महत्व के हैं ।
हवा के स्थानिक विकास-तरंगों के तहत स्थिर मजबूर हवा वेग17की एक सीमा के लिए हमारी सुविधा में अध्ययन किया गया है । परिणाम के रूप में संयंत्र19द्वारा प्रस्तुत मील18 सिद्धांत के आधार पर विकास दर अनुमान के साथ तुलना में थे । तुलना से पता चला कि प्रयोगात्मक परिणाम सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से विशेष रूप से अलग हैं । अतिरिक्त महत्वपूर्ण पैरामीटर भी17में प्राप्त किए गए थे, जैसे कि परीक्षण अनुभाग में मतलब दबाव ड्रॉप, साथ ही निरपेक्ष मूल्यों और विशेषता स्थिर दबाव उतार चढ़ाव के चरणों । हवा में कतरनी तनाव-पानी इंटरफेस हवा और लहरों के बीच17,19गति और ऊर्जा हस्तांतरण के लक्षण वर्णन के लिए आवश्यक है । इसलिए, लघुगणकीय सीमा परत की विस्तृत माप और पानी तरंगों के ऊपर हवा के प्रवाह में अशांत उतार चढ़ाव कई कौड़ी और हवा वेग20पर प्रदर्शन किया गया । इस अध्ययन में निर्धारित हवा-पानी के इंटरफेस में घर्षण वेग यू* के मूल्यों को हवा-लहरें हमारी सुविधा21में मापा के क्वांटिटी सांख्यिकीय मापदंडों को प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया गया । ये मान बड़े प्रायोगिक प्रतिष्ठानों और क्षेत्र प्रयोगों में प्राप्त संगत क्वांटिटी पैरामीटर्स के साथ तुलना किए गए थे. यह पहले21 का प्रदर्शन किया है कि उचित स्केलिंग के साथ, हवा की महत्वपूर्ण विशेषताओं-लहर हमारे छोटे पैमाने पर सुविधा में प्राप्त क्षेत्र काफी बड़ी प्रयोगशाला में संचित इसी डेटा से अलग नहीं है प्रतिष्ठानों और खुले समुद्र माप । इन मापदंडों प्रतिनिधि लहर ऊंचाई और तरंग लंबाई, सतह ऊंचाई की आवृत्ति स्पेक्ट्रम के आकार, साथ ही उच्च सांख्यिकीय क्षणों के मूल्यों के स्थानिक विकास शामिल हैं ।
बाद में हमारी सुविधा22में किए गए अध्ययनों से पता चला,23 कि हवा लहरों मूलतः यादृच्छिक और तीन आयामी हैं । पवन तरंगों के 3 डी संरचना में एक बेहतर अंतर्दृष्टि पाने के लिए, एक प्रयास स्टीरियो वीडियो इमेजिंग22का उपयोग कर एक विस्तारित क्षेत्र पर मात्रात्मक समय पर निर्भर पानी की सतह ऊंचाई प्रदर्शन किया गया था । अपर्याप्त कंप्यूटर बिजली वर्तमान और प्रसंस्करण एल्गोरिदम पर उपलब्ध है कि अभी तक पर्याप्त रूप से प्रभावी नहीं है के कारण, इन प्रयासों को केवल आंशिक रूप से सफल साबित हुआ । हालांकि, यह प्रदर्शित किया गया था कि एक पारंपरिक समाई के संयुक्त उपयोग प्रकार वेव गेज और LSG पवन तरंगों के स्थानिक संरचना पर बहुमूल्य जानकारी प्रदान करता है । दोनों उन उपकरणों के एक साथ आवेदन तात्कालिक सतह ऊंचाई और तात्कालिक सतह ढलान के दो घटकों के उच्च लौकिक संकल्प के साथ स्वतंत्र माप23सक्षम बनाता है । इन माप तरंगों के दोनों प्रमुख आवृत्ति और प्रमुख तरंग लंबाई के आकलन की अनुमति है, साथ ही हवा के लिए सामांय दिशा में तरंग संरचना में अंतर्दृष्टि प्रदान करने के रूप में । एक pitot ट्यूब, जो एक कंप्यूटर नियंत्रित मोटर द्वारा खड़ी ले जाया जा सकता है, सेंसर के सेट का पूरक है और हवा वेग की माप के लिए प्रयोग किया जाता है ।
उन सभी अध्ययनों से स्पष्ट है कि यादृच्छिकता और हवा तरंगों के तीन आयामी मापा मापदंडों की महत्वपूर्ण परिवर्तनशीलता में भी स्थिर हवा के लिए मजबूर कर रही है और एक भी स्थान को मापने बनाया । इस प्रकार, मापा तरंग क्षेत्र की विशेषता समय तराजू के साथ अवधि अनुरूप के साथ लंबे समय तक माप को विश्वसनीय सांख्यिकीय मात्रा निकालने के लिए पर्याप्त जानकारी जमा की जरूरत है । को लहर क्षेत्र के स्थानिक परिवर्तन शासी तंत्र में मूल्यवान भौतिक अंतर्दृष्टि लाभ, यह आवश्यक है कि कई स्थानों पर बाहर ले जाने के लिए और परीक्षण अनुभाग में संभव के रूप में हवा प्रवाह दर के कई मूल्यों के लिए । इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, यह इस प्रकार उच्च एक स्वचालित प्रयोगात्मक प्रक्रिया लागू वांछनीय है ।
लहरों पर प्रयोग अस्थिर हवा से उत्तेजित जटिलता का एक अतिरिक्त स्तर परिचय मजबूर । ऐसे अध्ययनों में यह जरूरी है कि तात्कालिक मापी मापदंडों को हवा की गति के तात्कालिक स्तर पर ही रखूं. एक लगभग आवेगी हवा एक महत्वपूर्ण उदाहरण के रूप में मजबूर द्वारा आराम से उत्तेजित तरंगों पर प्रयोगों पर विचार करें । इस मामले में, कई स्वतंत्र मापन हवा की जरूरत है लहर हवा की कार्रवाई है कि एक ही निर्धारित पैटर्न24के बाद समय में बदलता है क्षेत्र के तहत विकसित कर रहे हैं । सार्थक सांख्यिकीय मानकों, हवा के प्रवाह की दीक्षा के बाद से गुजरा समय के एक समारोह के रूप में व्यक्त, तो स्वतंत्र बोध के संचित पहनावा से निकाले गए डेटा औसत द्वारा गणना कर रहे हैं । इस उपक्रम दसियों और निरंतर नमूने के घंटे के सैकड़ों शामिल हो सकते हैं । इस तरह के एक महत्वाकांक्षी कार्य को पूरा करने के लिए आवश्यक प्रयोगात्मक सत्रों की कुल अवधि, प्रयोग पूरी तरह से स्वचालित है जब तक कि पूरे दृष्टिकोण साध्य renders । हवा में कोई ऐसी पूरी तरह से कंप्यूटरीकृत प्रयोगात्मक प्रक्रिया-वेव सुविधाएं हाल ही में जब तक विकसित किया गया है । यह स्थिर मजबूर के तहत हवा तरंगों पर विश्वसनीय सांख्यिकीय आंकड़ों की कमी के लिए मुख्य कारणों में से एक है ।
के बाद से प्रयोग के लिए इस्तेमाल की सुविधा व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है, बंद-the-शेल्फ हार्डवेयर, इसके मुख्य भागों का एक संक्षिप्त विवरण से निर्माण नहीं है यहां प्रदान की जाती है ।
चित्र 1. योजनाबद्ध (पैमाने पर नहीं) प्रायोगिक सुविधा का दृश्य. 1-ब्लोअर; 2-प्रवाह निपटान कक्ष; 3-बहिर्वाह निपटान कक्ष; 4-साइलेंसर बक्से; 5-परीक्षण अनुभाग; एक 6 समुद्र तट के साथ; 7-हीट एक्सचेंजर; 8-छत्ते; 9 नोक; 10-wavemaker; 11-प्रालंब; 12-साधन कैरिज; 13-वेव गेज एक stepper मोटर द्वारा संचालित; 14-Pitot ट्यूब एक stepper मोटर द्वारा संचालित. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
प्रयोगात्मक सुविधा एक बंद पाश हवा सुरंग के होते हैं एक लहर टैंक पर घुड़सवार (एक योजनाबद्ध दृश्य चित्रा 1में दिखाया गया है) । परीक्षण खंड 5 मीटर लंबा, ०.४ मीटर चौड़ा, और ०.५ मीटर गहरा है । sidewalls और फर्श 6 मिमी मोटी कांच की प्लेटों से बना रहे है और एक एल्यूमीनियम प्रोफाइल के बने फ्रेम के भीतर संलग्न हैं । एक ४० सेमी लंबे प्रालंब नलिका से पानी की सतह के लिए airflow पार अनुभाग के एक चिकनी विस्तार प्रदान करता है । लहर ऊर्जा छिद्रित पैकिंग सामग्री से बना समुद्र तट को अवशोषित टैंक के दूर अंत में स्थित है । एक कंप्यूटर नियंत्रित ब्लोअर 15 मी तक परीक्षण अनुभाग में मतलब हवा प्रवाह वेग प्राप्त करने की अनुमति देता है ।
कस्टम-निर्मित समाई-प्रकार १०० मिमी लंबी तरंग गेज यांग ऑक्सीकरण टैंटलम से बना है । ०.३ mm वायर एक ऊर्ध्वाधर एक पीसी-नियंत्रित कदम मोटर वेव गेज अंशांकन के लिए डिजाइन द्वारा संचालित मंच पर मुहिम शुरू की है । 3 मिमी के व्यास के साथ एक Pitot ट्यूब परीक्षण अनुभाग के केंद्रीय airflow भाग में गतिशील दबाव को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
LSG, तात्कालिक 2d पानी की सतह ढलान को मापने, एक परीक्षण अनुभाग है कि टैंक के साथ किसी भी स्थान पर तैनात किया जा सकता से अलग फ्रेम पर स्थापित है (चित्रा 2) । LSG चार मुख्य भागों के होते हैं: एक लेजर डायोड, एक Fresnel लेंस, एक प्रसार स्क्रीन, और एक स्थिति संवेदन डिटेक्टर (PSD) विधानसभा. लेजर डायोड के बारे में ०.५ mm के व्यास के साथ एक ६५० एनएम (लाल), २०० मेगावाट केंद्रित लेजर बीम उत्पंन करता है । २२.८६ सेमी की फोकल लंबाई के साथ २६.४ सेमी व्यास Fresnel लेंस 25 x 25 सेमी2 प्रसार स्क्रीन लेंस के पीछे फोकल विमान में स्थित करने के लिए आने वाली लेजर बीम निर्देशन ।
चित्र 2. लेजर ढलान गेज (LSG) के योजनाबद्ध दृश्य । 1-लेजर डायोड; 2-Fresnel लेंस; 3-प्रसार स्क्रीन; 4-स्थिति सेंसर डिटेक्टर (PSD) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
इस प्रोटोकॉल प्रक्रिया है कि प्रयोगों जिसमें कई मापदंडों निस्र्पक अस्थिर तरंगों समय पर निर्भर हवा के तहत एक साथ मापा जाता प्रदर्शन की अनुमति देता है का वर्णन करता है । प्रक्रिया समय पर पवन वेग के किसी भी वांछित निर्भरता के लिए समायोजित किया जा सकता है कि प्रयोगात्मक सुविधा की तकनीकी सीमाओं को ध्यान में रखते हुए प्राप्त किया जा सकता है । वर्तमान प्रोटोकॉल में विशेष रूप से प्रयोगों का वर्णन करता है जिसमें हर बोध में, हवा शुरू में शांत पानी पर लगभग लालसे प्रारंभ होता है । स्थिर तो मजबूर हवा काफी लंबे समय के लिए रहता है कि हवा-लहर परीक्षण खंड में हर जगह क्षेत्र अर्ध-स्थिर राज्य प्राप्त करता है । हवा अंततः बंद है, फिर से लगभग लालसे । सभी चरणों में, कई लहर मापदंडों दर्ज कर रहे हैं । प्रक्रिया है कि कई सांख्यिकीय प्रतिनिधि पहनावा की गणना-तात्कालिक स्थानीय हवा-लहर क्षेत्र निस्र्पक औसत मात्रा की अनुमति देता है उपंयास है, और हाल ही में हमारी सुविधा में किए गए प्रयोगों के पाठ्यक्रम में विकसित किया गया था 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
वर्तमान प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल अस्थिर हवा मजबूर है कि समय और अंतरिक्ष में विकसित के तहत एक लहर क्षेत्र के मात्रात्मक लक्षण वर्णन के उद्देश्य से है । के बाद से हवा-लहरों मूलतः यादृच्छिक और तीन आयामी हैं…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम इसराइल विज्ञान फाउंडेशन, अनुदान # 306/15 द्वारा समर्थित किया गया था ।
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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