Mätningar av vågor i en vind-wave Tank Under konstant och tidsvarierande vinden tvingar
Summary
Detta manuskript beskriver helt datorstyrda förfarandet som tillåter att erhålla tillförlitliga statistiska parametrar från experiment vatten vågor upphetsad av stadig och ostadig vind tvingar i en småskalig anläggning.
Abstract
Detta manuskript beskriver en experimentell förfarande som tillåter att erhålla olika kvantitativa information om tidsmässiga och rumsliga evolution vatten vågor upphetsad av tidsberoende och stadig vind tvingar. Kapacitans-typen wave mätare och Laser lutning spårvidd (LSG) används för att mäta ögonblicklig vatten ytan höjd och två komponenter av momentana ytan sluttar på ett antal platser längs avsnittet test av vind-wave anläggning. Datorstyrda fläkten ger luftflöde över vattnet i tanken vars kurs kan variera i tid. I de nuvarande experiment ökar vindhastigheten i avsnittet test initialt snabbt från resten till inställt värde. Det hålls sedan konstant för den föreskrivna varaktigheten; Slutligen, luftflödet är avstängd. I början av varje experimentella körning, vattenytan är lugnt och det finns ingen vind. Drift av fläkten initieras samtidigt med förvärvet av uppgifter från alla sensorer av en dator. datainsamling pågår tills vågorna i tanken helt förfalla. Flera oberoende körningar utförda på identiska tvingar villkor tillåta att fastställa statistiskt tillförlitliga ensemble-genomsnitt karakteristiska parametrar som kvantitativt beskriva vinden-vågor variation i tid för första utvecklingsstadiet som en funktion av fetch. Förfarandet kan också karaktärisera rumsliga utvecklingen av fältet våg under stadig vind tvingar, liksom sönderfall av vågor i tid, när vinden är avstängd, som en funktion av fetch.
Introduction
Sedan urminnes tider, har det varit väl känt att vågor på vattenytor exciteras av vinden. Aktuell kunskap om de fysiska mekanismer som styr denna process är långt ifrån tillfredsställande. Många teorier försöker beskriva vinden-våg generation föreslogs över år1,2,3,4, men deras pålitliga experimentell validering inte är ännu tillgängliga. Mätningar av slumpmässiga vind-vågor i havet är extremt utmanande på grund av oförutsägbara vinden som kan variera snabbt i riktning såväl som i storleksordning. Laboratorieförsök har fördelen av kontrollerbara villkor som möjliggör långvarig och repeterbara mätningar.
Under stadig vind tvingar i laboratoriemiljö, utvecklas vind-vågor i rymden. Tidiga laboratorieexperiment på vågor under stadig tvingar var utförts decennier sedan begränsade till momentana ytans höjd mätningar5,6,7,8. Nyare studier också anställd olika optiska tekniker för att mäta ögonblicklig vatten körbanans lutning vinkel, t ex LSG9,10. Dessa mätningar tillåtet att få några begränsade kvalitativ information om vind-wave fält tredimensionella struktur. När vinden tvingar är instabil, som i fältexperiment, introduceras ytterligare komplexitet på problemet med vattenvågor excitation av vinden, eftersom de statistiska parametrarna i fältet resulterande våg varierar inte bara i rymden utan i tid liksom. De försök som hittills gjorts att beskriva våg evolution mönster kvalitativt och kvantitativt under tidsberoende tvingar var bara delvis framgångsrik11,12,13,14 , 15 , 16. olika rimliga fysiska mekanismer som kan leda till magnetiseringen relativa bidrag och tillväxt av vågor på grund av vind åtgärder förblir i stort sett okända.
Våra experimentanläggning utformades med syfte att aktivera ansamling av korrekt och olika statistiska uppgifter om variationen av vind-wave fältegenskaper under antingen stabil eller ostadig vind tvingar. Två stora faktorer underlättats dessa detaljerade undersökningar. Först, den blygsamma storleken anläggning resultaten i relativt korta karaktäristiska evolution skalor i tid och rum. Det andra är hela experimentet helt styrd av en dator, vilket möjliggör prestanda för experimentell körningar under olika experimentella förhållanden automatiskt och praktiskt taget utan mänsklig inblandning. Dessa funktioner av experimentella set-up är av avgörande betydelse i att utföra experiment på vågor upphetsad från resten av impulsiva vind.
Rumsliga tillväxt av vind-vågor under stadig tvingar har studerats i vår anläggning för en rad lindar hastigheter17. Resultaten jämfördes med tillväxt takt uppskattningar baserade på Miles18 teorin som presenterades av växten19. Jämförelsen visade att experimentella resultat skiljer sig främst från den teoretiska förutsägelser. Ytterligare viktiga parametrar var också införskaffad i17, såsom genomsnittlig tryckfall i avsnittet test, och den absoluta värden samt faser av karakteristiska statiskt tryck fluktuationer. Skjuvspänningen på gränssnittet luft-vatten är viktigt för karakterisering av rörelsemängd och energi överföring mellan vind och vågor17,19. Därför detaljerade mätningar av logaritmisk gränsskikt och de turbulenta variationerna i luftflödet ovanför vatten vågor framfördes på många hämtningar och lindar hastigheter20. Värdena av friktion hastighet u* på det luft-vatten-gränssnittet som fastställs i denna studie användes för att erhålla dimensionslös statistiska parametrar av vind-vågorna mätt i vår anläggning21. Värdena jämfördes med motsvarande dimensionslösa parametrar erhålls i större experimentella anläggningar och fältexperiment. Det visades tidigare21 att med rätt skalning, de viktiga egenskaperna för fältet vind-våg erhålls i vår småskaliga anläggning inte skiljer sig avsevärt från motsvarande data ackumuleras i större laboratorium installationer och öppna havet mätningar. Parametrarna inkluderar rumsliga tillväxt av representativa våghöjd och våglängd, form av frekvensspektret av ytans höjd, samt värden för högre statistisk stunder.
Efterföljande studierna utförs i vår anläggning22,23 visade att vinden vågor är i huvudsak slumpmässigt och tredimensionell. För att få en bättre inblick i 3D-strukturen för vind vågor, gjordes ett försök att utföra kvantitativa tidsberoende mätningar av vatten ytan höjd över det utökade området använda stereo video tänkbar22. På grund av otillräcklig datorkraft på nuvarande och bearbetning algoritmer som ännu inte är tillräckligt effektivt, dessa försök visat sig vara endast delvis framgångsrika. Emellertid var det visat att kombinerad användning av en konventionell kapacitans-typen wave mätare och LSG ger värdefull information om det rumsliga strukturerar av vind vågor. Samtidig tillämpning av båda dessa instrument möjliggör oberoende mätningar med hög temporal upplösning av den momentana yta höjden och av de två komponenterna i den momentana ytan sluttar23. Dessa mätningar kan uppskattning av både dominerande frekvens och dominerande våglängd av vågorna, samt att ge insikt i våg strukturen i riktningen som är normala för vinden. Ett pitotrör, som kan flyttas vertikalt genom en datorstyrd motor, kompletterar uppsättningen sensorer och används för mätningar av lindahastigheten.
Alla dessa studier som gjort klart att slumpmässighet och tredimensionalitet vind vågor resultera i betydande variabilitet av uppmätta parametrar även för stadig vind tvingar och en enda mätning läge. Således, långvarig mätningar med varaktighet proportion med karakteristiska tiden skalor i fältet uppmätta våg behövs för att samla tillräcklig information för att extrahera tillförlitliga statistiska kvantiteter. För att få värdefulla fysiska insikt om de mekanismer som styr rumsliga variationen i fältet våg, är det absolut nödvändigt att utföra mätningar på många platser och för så många värden vinden flödet som möjligt i avsnittet test. För att uppnå detta mål, är det därför önskvärt att tillämpa en automatiserad experimentell förfarande.
Experiment på vågor upphetsad av ostadig vind tvingar införa ytterligare en nivå av komplexitet. I sådana studier är det absolut nödvändigt att relatera momentant uppmätta parametrarna till den momentana nivån av vindhastigheten. Överväga experiment på vågor glada från resten av en nästan impulsiva vinden tvinga som ett viktigt exempel. I det här fallet behövs många oberoende mätningar i fältet vind-våg utvecklas under inverkan av vind som varierar i tiden efter den samma föreskrivna mönster24. Meningsfull statistiska parametrar, uttryckt som en funktion av tiden som förflutit sedan inledandet av luftflöde, beräknas sedan genom genomsnitt data extraheras från den ackumulerade ensemblen av oberoende genomföranden. Detta åtagande kan innebära tiotals och hundratals timmar av kontinuerlig provtagning. Den totala varaktigheten för experimentell sessioner krävs för att utföra en så ambitiös uppgift återger det hela tillvägagångssättet ogenomförbara, såvida inte experimentet är helt automatiserad. Inget sådant helt datoriserad experimentell förfarande i vinden-wave faciliteter har utvecklats fram till nyligen. Det är bland de viktigaste orsakerna till bristen på tillförlitliga statistiska uppgifter om vind vågor under ostadig tvingar.
Eftersom anläggningen används för experimentet inte är konstruerade från kommersiellt tillgängliga, off-the-shelf hårdvara, en kort beskrivning av dess huvuddelar finns här.
Figur 1. Schematiska (inte att skala) syn på experimentanläggning. 1 – fläkt; 2 – inflöde lösa kammaren. 3 – utflöde lösa kammaren. 4 – ljuddämpare lådor; 5 – test avsnitt; med en 6 – stränder; 7 – värmeväxlare; 8 – honeycomb; 9 – munstycke; 10 – wavemaker; 11 – flap; 12 – instrument befordringsavtalet, 13 – wave mätare drivs av en stegmotor; 14 – pitotrör drivs av en stegmotor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Experimentell anläggningen består av en sluten slinga vindtunnel monterad över en våg tank (en schematisk vy visas i figur 1). Avsnittet test är 5 m långa, 0,4 m breda och 0,5 m djup. Den sidoväggar och golv är tillverkade av 6 mm tjockt glasplattor och är innesluten i en ram av aluminiumprofiler. En 40 cm lång luckan ger en smidig utbyggnad av luftflöde tvärsnitt från munstycket till bevattna ytbehandlar. Vågenergi absorberande beach tillverkade av porösa förpackningsmaterial är beläget vid den bortre änden av tanken. En datorstyrd fläkt tillåter att uppnå genomsnittliga luft strömningshastighet i avsnittet testa upp till 15 m/s.
Skräddarsydda kapacitans-typ 100 mm lång våg mätaren är gjord av anodiserat tantal. 0,3 mm wire monteras på en vertikal scen som drivs av en PC-kontrollerade steg motor avsedd för våg mätarens kalibrering. En Pitot-rör med en diameter på 3 mm används för mätning av det dynamiska trycket i centrala luftflöde delen av avsnittet test.
LSG, mäta momentan 2D vatten ytan sluttar, installeras på en ram som lossnat från avsnittet test som kan placeras på valfri plats längs tanken (figur 2). LSG består av fyra huvuddelar: en laserdiod, en fresnellins, en diffus skärm och en Position Sensing detektor (PSD) församling. Den laser-dioden genererar en 650 nm (röd), 200 mW fokuserbara laserstråle med diameter på ca 0,5 mm. 26,4 cm diameter Fresnel lins med brännvidden 22,86 cm dirigerar inkommande laserstrålen till 25 x 25 cm2 diffus skärmen ligger i tillbaka fokalplanet av linsen.
Figur 2. Schematisk vy av Laser lutning Gauge (LSG). 1 – laserdiod; 2 – Fresnel lins; 3 – diffus skärm; 4 – position Sensor detektor (PSD). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Det här protokollet beskriver det förfarande som tillåter utför experiment där många parametrar som kännetecknar ostadig vågor mäts samtidigt under tidsberoende vinden tvingar. Förfarandet kan justeras till någon önskad beroendet av lindahastigheten på tid som kan uppnås med hänsyn till de tekniska begränsningarna av experimentanläggning. Protokolls beskriver specifikt experiment som i varje insikten, vinden börjar nästan impulsivt över inledningsvis lugna vatten. Stadig vinden tvingar sedan varar för länge nog att uppnår fältet vind-wave överallt i avsnittet test kvasi steady state. Vinden är så småningom stänga ner, igen nästan impulsivt. I alla skeden lagras flera våg parametrar. Det förfarande som tillåter beräkning av många statistiskt representativa ensemble-genomsnitt kvantiteter kännetecknar fältet momentana lokal vind-wave är roman, och utvecklades under senaste experiment som utförs i vår anläggning 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta experimentella protokoll syftar kvantitativa karakterisering av en våg fältet under ostadig vind tvingar som utvecklas i tid och rum. Eftersom vinden-vågor är i huvudsak slumpmässigt och tredimensionella, och därför kan variera snabbt i tid och rum, kan register över enskilda genomföranden av en ökande vind-wave fältet under tidsberoende vinden tvingar endast ge kvalitativa uppskattningar av de styrande Wave parametrar. För att uppnå målet med detta protokoll och få statistiskt säkerställda och fet…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete fick stöd av Israel Science Foundation, grant nr 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).
