Målinger af bølger i en vind-bølge Tank Under konstant og tidsvarierende vind tvinger
Summary
Dette manuskript beskriver en fuldt computerstyrede procedure, der gør det muligt at opnå pålidelige statistiske parametre fra eksperimenter af vand bølger ophidset af stabil og ustabil vind tvinger i et mindre anlæg.
Abstract
Dette manuskript beskriver en eksperimentel procedure, der giver mulighed for at indhente forskellige kvantitative oplysninger om tidsmæssige og rumlige evolution af vand bølger ophidset af tidsafhængig og steady vind tvang. Kapacitans-type bølge gauge og Laser skråning Gauge (LSG) bruges til at måle øjeblikkelig vand overflade elevation og to komponenter af den øjeblikkelige overflade hældningen på en række steder langs afsnittet test af en vind-bølge facilitet. Den computer-kontrollerede blæser giver luftstrøm over vandet i akvariet hvis sats kan variere i tid. I de nuværende eksperimenter stiger vindhastighed i afsnittet test oprindeligt hurtigt fra resten til den indstillede værdi. Det er derefter holdes konstant for de foreskrevne varighed; Endelig er luftstrømmen lukket ned. I begyndelsen af hver eksperimentelle run vandoverfladen er roligt og der er ingen vind. Drift af blæseren indledes samtidig med erhvervelsen af data fra alle sensorer af en computer; dataopsamling fortsætter indtil bølger i tanken fuldt forfald. Flere uafhængige kører udføres under identiske tvinger betingelser tillade bestemmelse af statistisk pålidelige ensemble-gennemsnit karakteristiske parametre, der kvantitativt beskriver vind-bølgerne variation i tidspunktet for den oprindelige udviklingsfasen som en funktion af fetch. Proceduren giver også kendetegner den rumlige udviklingen i feltet bølge under steady vind tvinger, og henfald af bølger i gang, når vinden er lukket ned, som en funktion af fetch.
Introduction
Siden oldtiden, har det været kendt, at bølger på vandet overflader er ophidset af vinden. Den nuværende forståelse af de fysiske mekanismer, der styrer denne proces langtfra er tilfredsstillende. Talrige teorier forsøger at beskrive vind-bølge generation blev foreslået over år1,2,3,4, men deres pålidelige eksperimentelle validering ikke er endnu tilgængelige. Målinger af tilfældig vind-bølger i havet er ekstremt udfordrende på grund af uforudsigelig vind, der kan variere hurtigt i retning, størrelsesorden. Laboratorieforsøg har fordel af kontrollerbare betingelser, der aktiverer langvarig og repeterbare målinger.
Under jævn vind tvinger i laboratoriemiljø, udvikle vind-bølger i rummet. Tidlig laboratorieforsøg på bølger under konstant tvinger var udført årtier siden begrænset til øjeblikkelig overflade elevation målinger5,6,7,8. Nyere undersøgelser også ansat forskellige optiske teknikker at måle øjeblikkelig vand overfladen hældning vinkel, som LSG9,10. Disse målinger mulighed for at få nogle begrænsede kvalitative oplysninger om tre-dimensionelle struktur af vind-bølge felter. Når vinden tvinger er ustabil, da det er i markforsøg, introduceres ekstra kompleksitet på problemet med vand bølger excitation af vinden, da de statistiske parametre i den resulterende bølge felt varierer ikke blot i rummet men i tid så godt. De forsøg på hidtil at beskrive bølge evolution mønstre kvalitativt og kvantitativt under tidsafhængig tvinger blev kun delvist vellykket11,12,13,14 , 15 , 16. den relative bidrag af forskellige plausible fysiske mekanismer, der kan føre til magnetisering og vækst af bølger på grund af vinden handling er stadig stort set ukendt.
Vores eksperimentelle facilitet var designet med det formål at aktivering ophobning af nøjagtige og forskelligartede statistiske oplysninger om variationen af vind-bølge felt egenskaber under enten stabil eller ustabil vind tvang. To hovedfaktorer lettere at gennemføre disse detaljerede undersøgelser. Først, den beskedne størrelse af faciliteten resultater i relativt korte karakteristiske evolution skalaer i tid og rum. For det andet er hele eksperimentet fuldt kontrolleret af en computer, således at effektiviteten af eksperimentelle kører under forskellige forsøgsbetingelser praktisk og automatisk uden menneskelig indgriben. Disse funktioner af den eksperimentelle set-up er af afgørende betydning i at udføre eksperimenter på bølger spændt fra resten af impulsiv vind.
Rumlige vækst af vind-bølger under konstant tvinger er blevet undersøgt i vores anlæg for en række vind hastigheder17. Resultater blev sammenlignet med vækst sats skøn baseret på teorien om18 Miles som fremlagt af plante19. Sammenligningen viste, at de eksperimentelle resultater adskiller sig især fra de teoretiske forudsigelser. Yderligere vigtige parametre blev også fremstillet i17, som betyder trykfald i afsnittet test samt de absolutte værdier og faser af karakteristiske statisk tryk udsving. Shear stress på grænsefladen luft-vand er afgørende for karakterisering af momentum og energi overførsel mellem vind og bølger17,19. Derfor detaljerede målinger af logaritmisk grænselag og de turbulente udsving i luftstrøm over vand bølger blev udført på talrige henter og vind hastigheder20. Værdierne af friktion velocity u* på grænsefladen luft-vand bestemmes i denne undersøgelse blev brugt til at opnå dimensionsløs statistiske parametre i de vind-bølger målt i vores facilitet21. Disse værdier blev sammenlignet med de tilsvarende dimensionsløs parametre er fremstillet i større eksperimentelle installationer og feltforsøg. Det fremgik tidligere21 , med korrekt skalering, de vigtige egenskaber for feltet vind-bølge fremstillet i vores små anlæg ikke afviger væsentligt fra den tilsvarende data akkumuleret i større laboratorium anlæg og åbent hav målinger. Disse parametre omfatter rumlige vækst af repræsentative bølgehøjde og bølgelængde, form af frekvensspektret af den overflade elevation, samt værdierne af højere statistiske øjeblikke.
De efterfølgende undersøgelser i vores anlæg22,23 viste, at vinden bølger er hovedsagelig tilfældig og tre-dimensionelle. For at få et bedre indblik i 3D-struktur af vind bølger, blev forsøgt at udføre kvantitative tidsafhængig målinger af vand overfladen højde over et udvidet område ved hjælp af stereo video imaging22. På grund af utilstrækkelig computerkraft på nuværende og forarbejdning algoritmer, der ikke endnu er tilstrækkeligt effektive, disse forsøg vist sig for at være kun en delvis succes. Dog blev det påvist at kombineret brug af en konventionel kapacitans-type bølge gauge og LSG giver værdifuld information om den rumlige struktur af vind bølger. Samtidig anvendelse af begge disse instrumenter muliggør uafhængige målinger med høj tidsmæssige opløsning af den øjeblikkelige overflade elevation og af de to komponenter i den øjeblikkelige overflade skråning23. Disse målinger giver mulighed for vurdering af både den dominerende frekvens og dominerende bølgelængde af bølgerne, samt at give indsigt i den bølge struktur i retningen vinkelret på vinden. En pitotrør, som kan flyttes lodret af en computerstyret motor, supplerer sæt af sensorer og bruges til målinger af vindhastighed.
Alle disse undersøgelser gjort klart, at tilfældighed og tredimensionalitet af vind bølger resultere i betydelig variation af de målte parametre selv for steady vind tvinger og en enkelt måling placering. Således forlænget målinger med varighed svarer til de karakteristiske tid skalaerne i feltet målte bølge er nødvendige for at samle tilstrækkelige oplysninger til at udtrække pålidelige statistiske mængder. For at få værdifulde fysiske indsigt i de mekanismer, der regulerer rumlige variation af feltet bølge, er det bydende nødvendigt at foretage målinger på talrige lokationer og til så mange værdier af vind flow som muligt i afsnittet test. For at nå dette mål, er det således ønskeligt at anvende en automatiseret eksperimentel procedure.
Eksperimenter på bølger ophidset af usikker vind tvinger indføre et ekstra niveau af kompleksitet. I sådanne undersøgelser er det bydende nødvendigt at relatere de øjeblikkelig målte parametre til det øjeblikkelige niveau af vindhastigheden. Overveje eksperimenter på bølger spændt fra resten af en næsten impulsiv vind tvinger som et vigtigt eksempel. I dette tilfælde er mange uafhængige målinger nødvendige for vind-bølge udvikler sig under påvirkning af vind, der varierer i tid efter den samme foreskrevne mønster24. Meningsfuld statistiske parametre, udtrykt som funktion af tiden gået siden indledningen af luft flow, beregnes derefter ved gennemsnit data udvundet fra den akkumulerede ensemble af uafhængige erkendelser. Denne virksomhed kan indebære tiere og hundrede timers kontinuerlige prøveudtagninger. Den samlede varighed af eksperimentelle sessioner kræves for at udføre en ambitiøs opgave gengiver hele tilgangen umuligt, medmindre forsøget er fuldautomatisk. Ingen sådanne fuldt edb forsøgsmetoden i vind-bølge faciliteter er blevet udviklet, indtil for nylig. Der er blandt hovedårsagerne til manglen på pålidelige statistiske data om vind bølger under usikker tvinger.
Siden anlægget bruges til eksperimentet ikke er konstrueret fra kommercielt tilgængelige, off-the-shelf hardware, en kort beskrivelse af dens hoveddele tilbydes her.
Figur 1. Skematisk (ikke at skalere) visning af det eksperimentelle facilitet. 1 – blæser; 2 – indstrømning afregning kammer; 3 – udstrømning afregning kammer; 4 – lyddæmper kasser; 5 – test afsnit; med en 6 – strand; 7 – varmeveksler; 8 – honeycomb; 9 – dyse; 10 – wavemaker; 11 – flap; 12 – instrument transport; 13 – bølge gauge drevet af en motor, stepper; 14 – pitotrør drevet af en motor, stepper. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Eksperimentelle anlægget består af et lukket kredsløb vindtunnel monteret over en bølge tank (en skematisk oversigt er vist i figur 1). Afsnittet test er 5 m lang, 0,4 m bredt og 0,5 m dybt. Sidevægge og gulv er lavet af 6 mm tykke glasplader og er indkapslet i en ramme lavet af aluminium profiler. En 40-cm lange flap giver en glat udvidelse af luftstrømmen tværsnit fra dysen til vandoverfladen. Bølge energiabsorberende stranden lavet af porøs emballagen er beliggende i den fjerneste ende af tanken. En computer-styrede blæser giver mulighed for at opnå gennemsnitlige luft flow hastighed i afsnittet test op til 15 m/s.
Skræddersyede kapacitans-type 100 mm-langbølge gauge er lavet af anodiseret tantal. 0,3 mm wire er monteret på en lodret scenen drives af en PC-kontrollerede trin motor designet til bølge gauge kalibrering. Pitot rør med en diameter på 3 mm bruges til at måle den dynamiske tryk i den centrale luftstrømmen del af afsnittet test.
LSG, måle øjeblikkelig 2D vand overfladen skråning, er installeret på en ramme, der er adskilt fra afsnittet test, der kan placeres på ethvert sted langs tank (figur 2). LSG består af fire hoveddele: en laserdiode, en Fresnel-linse, en diffuserende skærm og en placering Sensing detektor (PSD) forsamling. Laser dioden genererer en 650 nm (rødt), 200 mW focusable laserstråle med en diameter på ca. 0,5 mm. 26,4 cm diameter Fresnel linse med brændvidde på 22.86 cm dirigerer indgående laserstrålen til 25 x 25 cm2 diffuserende skærmen beliggende i tilbage brændplanet af linsen.
Figur 2. Skematisk visning af Laser skråning Gauge (LSG). 1 – laser diode; 2 – Fresnel linse; 3 – diffuserende skærm; 4 – position Sensor detektor (PSD). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Denne protokol beskriver den procedure, der tillader udførelse af eksperimenter hvor mange parametre kendetegner usikker bølger måles samtidigt under tidsafhængig vind tvinger. Proceduren kan tilpasses enhver ønskede afhængighed af vindhastighed på tid, der kan opnås på baggrund af de tekniske begrænsninger af det eksperimentelle facilitet. Denne protokol beskriver specifikt eksperimenter hvor i enhver erkendelse, vinden begynder næsten impulsivt over i første omgang roligt vand. Støt vinden tvinger derefter varer for længe nok, at opnår feltet vind-bølge overalt i afsnittet test kvasi steady state. Vinden er til sidst lukke ned, igen næsten impulsivt. På alle stadier registreres flere bølge parametre. Den procedure, der giver mulighed for beregning af talrige statistisk repræsentative gennemsnit af ensemble mængder kendetegner feltet øjeblikkelige lokale vind-bølge er romanen, og blev udviklet i løbet af de seneste eksperimenter udført i vores anlæg 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den nuværende forsøgsplan sigter mod kvantitativ karakterisering af en bølge felt under usikker vind tvinger, der udvikler sig i tid og rum. Da vinden-bølger er hovedsagelig tilfældig og tre-dimensionelle, og dermed variere hurtigt i tid og rum, kan optegnelser af individuelle erkendelser af en voksende vind-bølge felt under tidsafhængig vind tvinger kun levere kvalitativt skøn over den for bølge parametre. For at nå målet om denne protokol og opnå statistisk pålidelige og fetch-tidsafhængig bølge egenskab…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Israel Science Foundation, grant # 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
- 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).
