Messungen der Wellen in einem Wind-Welle-Tank unter stetigen und zeitlich veränderliche Wind zwingt
Summary
Dieses Manuskript beschreibt ein voll computergesteuertes Verfahren, das erlaubt die Erlangung zuverlässige statistische Parameter aus Experimenten von Wasserwellen angeregt durch stetige und unsteten Wind zu zwingen, in einer kleinen Anlage.
Abstract
Dieses Manuskript beschreibt ein experimentelles Verfahren, das erlaubt, verschiedene quantitative Informationen über zeitliche und räumliche Entwicklung von Wasserwellen begeistert von zeitabhängigen und stetigen Wind zwingt zu erhalten. Kapazität-Typ Welle Gauge und Laser Hang zu messen (LSG) werden verwendet, um Durchlauferhitzer Oberflächenhöhe und zwei Komponenten der momentanen Oberfläche Neigung an mehreren Orten entlang der Messstrecke einer Wind-Wellen-Anlage zu messen. Das computergesteuerte Gebläse bietet Luftstrom über dem Wasser in den Tank, dessen Preis in der Zeit variieren kann. In den heutigen Experimenten steigt die Windgeschwindigkeit in der Messstrecke zunächst schnell vom Rest auf den eingestellten Wert. Es wird dann für die vorgeschriebene Dauer konstant gehalten; zu guter Letzt wird der Luftstrom abgeschaltet. Am Anfang jeder einzelne Versuch die Wasseroberfläche ist ruhig und es gibt keinen Wind. Betrieb des Gebläses wird gleichzeitig mit dem Erwerb von allen Sensoren bereitgestellten Daten von einem Computer initiiert; die Datenerfassung wird fortgesetzt, bis die Wellen in den Tank vollständig zerfallen. Mehrere unabhängige Durchläufe durchgeführt unter identischen Bedingungen zwingen lassen Bestimmung statistisch zuverlässige Ensemble gemittelt charakteristische Parameter, die Wind-Wellen-Variation in der Zeit für die erste Entwicklungsphase als quantitativ beschreiben eine Funktion des Abrufs. Das Verfahren ermöglicht auch charakterisieren die räumliche Entwicklung der Wellenfeldsynthese unter stetigen Wind zwingt sowie Verfall der Wellen rechtzeitig, sobald der Wind, als eine Funktion des Abrufs heruntergefahren wird.
Introduction
Seit der Antike bereits bekannt, dass Wellen auf Wasseroberflächen durch Wind angeregt werden. Das gegenwärtige Verständnis der physikalischen Mechanismen, die diesen Prozess steuern ist alles andere als zufriedenstellend. Zahlreiche Theorien, die versuchen zu beschreiben, Wind-Welle-Generation wurden über die Jahre1,2,3,4, vorgeschlagen, aber ihre zuverlässige experimentelle Validierung noch nicht verfügbar ist. Messungen der zufälligen Wind-Wellen im Ozean sind extrem schwierig wegen unvorhersehbaren Wind, der schnell in Richtung ebenso wie in der Größe variieren. Laborexperimente haben den Vorteil von kontrollierbaren Bedingungen, die verlängerte und wiederholbare Messungen zu ermöglichen.
Unter beständiger Wind zwingt in der Laborumgebung entwickeln Wind-Wellen in Raum. Frühe Laborversuche auf Wellen unter stetigen zwingt wurden vor Jahrzehnten durchgeführt auf momentane Oberflächenhöhe Messungen5,6,7,8begrenzt. Neuere Studien beschäftigt auch verschiedene optische Verfahren zur Messung der Durchlauferhitzer Oberfläche Neigungswinkel, wie z. B. LSG9,10. Diese Messungen zulässig, dass immer einige qualitative Informationen über die dreidimensionale Struktur der Wind-Welle Felder begrenzt. Wenn Wind zwingt instabil ist, wie es in Feldversuchen, ist zusätzlicher Komplexität eingeführt, auf das Problem der Wasserwellen Erregung durch Wind, da der statistischen Kenngrößen der daraus resultierenden Wellenfeld nicht nur im Raum, sondern in der Zeit auch variieren. Die Versuche bisher, Wellenmuster Entwicklung unter zeitabhängige zwingt qualitativ und quantitativ zu beschreiben waren nur teilweise erfolgreich11,12,13,14 , 15 , 16. der relative Beitrag der verschiedenen plausibel physikalischen Mechanismen, die zur Erregung führen kann und das Wachstum der Wellen durch Wind-Wirkung ist weitgehend unbekannt.
Unsere Versuchsanlage wurde entwickelt mit dem Ziel, aktivieren die Anhäufung genauer und vielfältige statistische Informationen über die Variation der Wind-Welle Feldeigenschaften unter entweder stabil oder instationären Wind zwingt. Zwei wichtige Faktoren erleichtert diese detaillierte Untersuchungen. Erstens, skaliert die bescheidene Größe der Anlage führt zu relativ kurzen charakteristischen Evolution in Zeit und Raum. Zweitens wird das ganze Experiment vollständig durch einen Computer, wodurch die Leistung des experimentellen läuft unter verschiedenen experimentellen Bedingungen automatisch und praktisch ohne menschliches Zutun gesteuert. Diese Funktionen des experimentellen Aufbaus sind von entscheidender Bedeutung bei der Durchführung von Experimenten auf den Wellen vom Rest von impulsiven Wind begeistert.
Räumliche Entwicklung der Windwellen unter stetigen zwingen wurde in unserer Einrichtung für eine Reihe von Wind Geschwindigkeiten17untersucht. Ergebnisse wurden verglichen mit Wachstum Rate Schätzungen auf Basis der Miles18 Theorie als Anlage19vorgelegt. Der Vergleich ergab, dass die experimentellen Ergebnisse insbesondere die theoretischen Vorhersagen abweichen. Weitere wichtige Parameter wurden auch in erhaltenen17wie z.B. mittlere Druckabfall in der Messstrecke sowie die absoluten Werte und Phasen des charakteristischen statische Druckschwankungen. Die Schubspannung in der Luft-Wasser-Grenzfläche ist unerlässlich zur Charakterisierung von Impuls und Energie-Transfer zwischen Wind und Wellen17,19. Daher detaillierte Messungen der logarithmischen Grenzschicht und die turbulenten Schwankungen in den Luftstrom über dem Wasser Wellen wurden bei zahlreichen Abrufe durchgeführt und wind Geschwindigkeiten20. Die Werte für die Reibung Geschwindigkeit u* an der Luft-Wasser-Grenzfläche bestimmt in dieser Studie wurden zur dimensionslose statistische Kenngrößen der Windwellen, gemessen in unserer Anlage21zu erhalten. Diese Werte wurden mit der entsprechenden dimensionslose Parameter erhalten Sie in größeren experimentelle Installationen und Feldversuche verglichen. Es zeigte sich bisher21 , dass mit der richtigen Skalierung, die wichtigsten Merkmale des Feldes Wind-Welle in unserer kleinen Anlage erzielten deutlich aus den entsprechenden Daten unterscheiden sich nicht in größeren Labor angesammelt Installationen und Hochsee-Messungen. Diese Parameter umfassen räumliche Wachstum der repräsentativen Wellenhöhe und Wellenlänge, die Form der das Frequenzspektrum der DGM-Höhe, sowie die Werte der höhere statistische Momente.
Die nachfolgenden Untersuchungen in unserer Anlage22,23 zeigte, dass Windwellen im Wesentlichen zufällig und dreidimensional. Um einen besseren Einblick in die 3D-Struktur von Windwellen zu bekommen, wurde versucht, quantitative zeitabhängige Messungen der Oberflächenhöhe Wasser auf einer erweiterten Fläche mit Stereo-video imaging22durchzuführen. Aufgrund unzureichender Rechenleistung vorhanden und Verarbeitung Algorithmen, die noch nicht ausreichend wirksam sind, erwies sich diese Versuche nur teilweise erfolgreich. Jedoch wurde es gezeigt, dass die kombinierte Verwendung von einem konventionellen Kapazität-Typ Welle Messgerät und die LSG wertvolle Informationen über die räumliche Struktur der Windwellen liefert. Gleichzeitige Anwendung dieser beiden Instrumente ermöglicht unabhängige Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung von der momentanen DGM-Höhe und der beiden Komponenten der momentanen Oberfläche Piste23. Diese Messungen erlauben Schätzung der dominierenden Frequenz und dominante Wellenlänge von den Wellen, als auch Einblicke in die Wellen-Struktur in der Richtung senkrecht zum Wind. Ein Staurohr, die durch einen computergesteuerten Motor vertikal bewegt werden kann, ergänzt die Reihe von Sensoren und dient zur Messung der Windgeschwindigkeit.
Alle diese Studien machte klar, die Zufälligkeit und Dreidimensionalität der Wind, die Wellen zur Folge haben erhebliche Variabilität der gemessenen Parameter auch für stetigen wind zwingt und ein einzelnes Messort. Somit verlängert Messungen mit Dauer entsprechen die charakteristische Zeit, die Skalen von der gemessenen Wellenfeldes erforderlich sind, um ausreichende Informationen zum Extrahieren von zuverlässige statistische Größen zu sammeln. Um körperliche Einblick in die Mechanismen für die räumliche Variation der Wellenfeld zu gewinnen, ist es unerlässlich, möglichst in der Messstrecke Messungen an zahlreichen Standorten und für beliebig viele Werte des Förderstroms Wind durchführen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es daher wünschenswert, ein automatisierte experimentelle Verfahren anzuwenden.
Experimente auf Wellen angeregt durch unsteten Wind zwingt stellen ein zusätzliches Maß an Komplexität. In solchen Studien ist es unerlässlich, die momentane gemessenen Parameter beziehen sich auf das momentane Niveau der Windgeschwindigkeit. Betrachten Sie Experimente auf Wellen begeistert vom Rest durch ein fast impulsive Wind zwingen als ein wichtiges Beispiel. In diesem Fall werden zahlreiche unabhängige Messungen des Feldes Wind-Welle entwickelt sich unter der Einwirkung von Wind, der in der Zeit nach der gleichen vorgeschriebenen Muster24schwankt. Aussagekräftige statistische Parameter, ausgedrückt als Funktion der Zeit, seit der Einleitung des Luftstroms vergangen, werden dann durch Mittelwertbildung aus dem angesammelten Ensemble von unabhängigen Realisierungen extrahierten Daten berechnet. Diese Verpflichtung kann Hunderte von Stunden kontinuierliche Probenahme beinhalten. Die Gesamtdauer der experimentellen Sitzungen erforderlich um eine ehrgeizige Aufgabe macht den gesamten Ansatz nicht machbar, es sei denn, das Experiment voll automatisiert ist. Bis vor kurzem wurde keine solche voll computerisierte Versuchsdurchführung in Wind-Welle Einrichtungen entwickelt. Das ist die Hauptgründe für den Mangel an verlässlichen statistischen Daten über Windwellen unter instationären zwingen.
Da die Anlage für das Experiment verwendet nicht aus handelsüblichen aufgebaut ist, ist Standardhardware, hier eine kurze Beschreibung der wichtigsten Teile vorgesehen.
Abbildung 1: Schaltplan (nicht maßstabsgetreu) Blick auf die Versuchsanlage. 1 – Gebläse; 2 – Zufluss Abrechnung Kammer; 3 – Abfluss Abrechnung Kammer; 4 – Schalldämpfer-Boxen; 5 – Abschnitt Test; mit einem 6 – Strand; 7 – Wärmetauscher; 8 – Waben; 9 – Düse; 10 – Wavemaker; 11 – Klappe; 12 – Instrument Beförderung; 13 – Welle Spurweite von einem Schrittmotor angetrieben; 14 – Staurohr von einem Schrittmotor angetrieben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die experimentelle Anlage besteht aus einem closed-Loop-Windkanal montiert über eine Welle Tank ( Abbildung 1zeigt eine schematische Darstellung). Die Messstrecke ist 5 m lang, 0,4 m breit und 0,5 m tief. Die Seitenwände und der Boden sind aus 6 mm dicken Glasplatten und sind eingeschlossen in einem Rahmen aus Aluminium-Profilen. Eine 40 cm lange Klappe bietet eine glatte Expansion des Querschnitts Luftstrom aus der Düse an die Wasseroberfläche. Wellenenergie absorbierende Strand von porösen Verpackungsmaterial befindet sich am Ende des Tanks. Eine computergesteuertes Gebläse ermöglicht mittlere Luftgeschwindigkeit Strömung in der Messstrecke bis zu 15 m/s zu erreichen.
Das maßgeschneiderte Kapazität-Typ 100 mm langen Welle Messgerät besteht aus eloxiertem Tantal. 0,3 mm Draht ist montiert auf einer vertikalen Bühne für Welle Messgerät Kalibrierung entwickelt PC-gesteuerten Schrittmotor angetrieben. Ein Staurohr mit einem Durchmesser von 3 mm dient zur Messung der Staudruck im zentralen Luftstrom Teil der Messstrecke.
Die LSG, Messung der Durchlauferhitzer 2D Oberfläche Hang, installiert ist, auf einem Gestell losgelöst von der Messstrecke, die an jedem beliebigen Ort entlang der Tank (Abbildung 2) positioniert werden kann. VSG besteht aus vier Teilen: einer Laserdiode, einer Fresnel-Linse, eine diffusive Bildschirm und eine Position Sensing Detektor (PSD) Montage. Die Laserdiode erzeugt einen 650 nm (rot), 200 mW fokussierbar Laserstrahl mit Durchmesser von ca. 0,5 mm. 26,4 cm Durchmesser Fresnel-Linse mit der Brennweite von 22,86 cm leitet die eingehenden Laserstrahl zum 25 x 25 cm2 diffusiven Fenster befindet sich in der wieder Brennebene des Objektivs.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Laser Hang Gauge (LSG). 1 – Laserdiode; 2 – Fresnel-Linse; 3 – diffusive Bildschirm; 4 – Positions-Sensor-Detektor (PSD). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren, das ermöglicht die Durchführung von Experimenten, in denen zahlreiche Parameter, die Charakterisierung instationärer Wellen unter zeitabhängige Wind zwingt gleichzeitig gemessen werden. Das Verfahren kann auf jede gewünschte Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit auf Zeit eingestellt werden, die im Hinblick auf die technischen Grenzen der experimentellen Anlage erreicht werden kann. Dieses Protokoll beschreibt speziell Experimente in denen in jeder Erkenntnis, Wind fast impulsiv über zunächst ruhiges Wasser beginnt. Der stetige Wind zwingt dann dauert lang genug dafür erreicht der Wind-Welle-Bereich überall in der Messstrecke quasi-stationären Zustand. Der Wind ist schließlich geschlossen nach unten, wieder fast impulsiv. Auf allen Stufen werden mehrere Welle Parameter erfasst. Das Verfahren, das ermöglicht die Berechnung von zahlreichen statistisch repräsentativen Ensemble im Durchschnitt Mengen charakterisieren die momentane lokale Wind-Wellenfeld ist Roman und entwickelte sich im Laufe des Jahres neue Experimente durchgeführt, in unserer Einrichtung 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses experimentelle Protokoll zielt auf quantitative Charakterisierung der Wellenfeldsynthese unter instationären Wind zwingt, die sich in Zeit und Raum entwickelt. Da Wind-Wellen im Wesentlichen zufällig und dreidimensionale sind und somit schnell in Raum und Zeit variieren, können Aufzeichnungen über einzelne Realisierungen von Feldinhalten wachsenden Wind-Welle unter zeitabhängige Wind zwingt nur qualitative Einschätzungen des Direktoriums Wellenparametern. Um das Ziel dieses Protokolls zu erreichen und zu erh…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von der 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
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