Metingen van golven in de Tank van een Wind-Golf onder gestage en tijd tegenover wisselende Wind dwingen
Summary
Dit manuscript wordt een volledig computergestuurde procedure waarmee het verkrijgen van betrouwbare statistische parameters uit experimenten van water golven opgewekt door gestage en onvast wind dwingen in een kleinschalige faciliteit beschreven.
Abstract
Dit manuscript beschrijft een experimentele procedure waarmee diverse kwantitatieve informatie over temporele en ruimtelijke ontwikkelingen van water golven opgewekt door tijdafhankelijke en constante wind dwingen verkrijgen. Capaciteit-type Golf gauge en Laser-helling meten (LSG) worden gebruikt voor het meten van de momentane water oppervlakte hoogte en twee componenten van de ogenblikkelijke oppervlakte helling op een aantal locaties langs de test deel van een wind-Golf-faciliteit. De computergestuurde blazer biedt luchtstroom over het water in de tank waarvan tarief in de tijd variëren kan. In de huidige experimenten stijgt de windsnelheid in het gedeelte test aanvankelijk snel van rest tot de ingestelde waarde. Het is vervolgens constant gehouden voor de voorgeschreven duur; tot slot, de luchtstroom wordt afgesloten. Aan het begin van elke experimentele run, het wateroppervlak is kalm en windstil is. Werking van de blazer wordt geïnitieerd gelijktijdig met de overname van gegevens van alle sensoren door een computer; data-acquisitie wordt voortgezet totdat de golven in de tank volledig verval. Meerdere onafhankelijke runs uitgevoerd onder identieke dwingen omstandigheden laten bepalen van statistisch betrouwbare ensemble-gemiddeld karakteristieke parameters die kwantitatief wind-golven variatie op tijd voor de eerste ontwikkelingsfase als beschrijven een functie van halen. De procedure kan ook die de ruimtelijke ontwikkeling van de Golf-veld onder constante wind dwingen, evenals verval van golven in de tijd, zodra de wind wordt afgesloten, als een functie van fetch kenmerkten.
Introduction
Sinds de oudheid, is het al bekend dat golven op water oppervlakken zijn opgewonden door de wind. De huidige kennis van de fysische mechanismen die regelen van dit proces is verre van bevredigend. Talrijke theorieën proberen te beschrijven van wind-Golf generatie werden voorgesteld over het jaar1,2,3,4, maar hun betrouwbare experimentele validatie nog niet beschikbaar is. Metingen van willekeurige wind-golven in de Oceaan zijn zeer uitdagend vanwege de onvoorspelbare wind die snel in richting zo goed zoals in grootte kan variëren. Laboratoriumexperimenten hebben het voordeel van controleerbare voorwaarden waarmee langdurige en herhaalbare meting.
Onder constante wind dwingen in de testomgeving, evolueren wind-golven in de ruimte. Eerste laboratoriumexperimenten op golven onder constante dwingt waren uitgevoerd decennia geleden beperkt tot de momentane oppervlakte hoogte metingen5,6,7,8. Meer recente studies ook tewerkgesteld verschillende optische technieken voor het meten van de momentane water oppervlakte Knikhoek, zoals LSG9,10. Deze metingen mogen krijgen een aantal kwalitatieve informatie over de driedimensionale structuur van wind-Golf velden beperkt. Wanneer de wind dwingen is instabiel, aangezien er in veld experimenten, is extra complexiteit ingevoerd voor het probleem van water golven excitatie door wind, omdat de statistische parameters van het resulterende veld Golf niet alleen in ruimte maar ook tijdig verschillen. De pogingen tot nu toe voor het beschrijven van evolutie golfpatronen kwalitatief en kwantitatief onder tijdafhankelijke dwingen waren slechts gedeeltelijk succesvol11,12,13,14 , 15 , 16. de relatieve bijdrage van verschillende aannemelijke fysische mechanismen die tot excitatie leiden kunnen en groei van golven ten gevolge van acties van de wind is nog grotendeels onbekend.
Onze experimentele faciliteit werd ontworpen met het doel de accumulatie van nauwkeurige en diverse statistische informatie over de variatie van wind-Golf veld kenmerken onder beide constante of wankele wind dwingen inschakelen. Twee belangrijke factoren vergemakkelijkt deze gedetailleerde studies uitvoeren. Ten eerste, de bescheiden omvang van de resultaten van de faciliteit in relatief korte karakteristiek evolutie schalen in tijd en ruimte. Ten tweede, het hele experiment is volledig beheerd door een computer, waardoor de prestaties van experimentele draait onder verschillende experimentele omstandigheden automatisch en vrijwel zonder menselijke tussenkomst. Deze kenmerken van de experimentele opstelling zijn van cruciaal belang bij het uitvoeren van experimenten op golven opgewonden van rest door impulsief wind.
Ruimtelijke groei van wind-golven onder constante dwingt is onderzocht in onze faciliteit voor een scala van wind snelheden17. Resultaten werden vergeleken met groei tarief schattingen gebaseerd op de theorie van de18 Miles zoals gepresenteerd door Plant19. De vergelijking toonde aan dat de experimentele resultaten met name van de theoretische voorspellingen verschillen. Extra parameters die belangrijk zijn ook verkregen in17, zoals de daling van de gemiddelde druk in de sectie test, alsmede de absolute waarden en de fasen van karakteristieke statische druk schommelingen. De afschuifweerstand op het raakvlak van de lucht-water is essentieel voor de karakterisering van impuls en energie-overdracht tussen wind en golven17,19. Daarom gedetailleerde metingen van de logaritmische grenslaag en de turbulente schommelingen in de luchtstroom boven water golven werden uitgevoerd op talrijke Fetcht en wind snelheden20. De waarden van de wrijving snelheid u* op het grensvlak van de lucht-water bepaald in deze studie werden gebruikt om het verkrijgen van de dimensieloze statistische parameters van de wind-golven gemeten in onze faciliteit21. Deze waarden werden vergeleken met de corresponderende dimensieloze parameters verkregen in grotere experimentele installaties en veld experimenten. Het bleek eerder21 dat met de juiste schaal, de belangrijke kenmerken van het veld van de wind-Golf verkregen in onze kleinschalige faciliteit niet van elkaar aanzienlijk van de overeenkomstige gegevens verschillen verzameld in grotere laboratorium installaties en metingen van de open zee. Deze parameters omvatten ruimtelijke groei van de representatieve golfhoogte en golflengte, de vorm van het frequentiespectrum van de oppervlakte hoogte, evenals de waarden van hoger statistische momenten.
De latere studies uitgevoerd in onze faciliteit22,23 bleek dat wind, golven in wezen willekeurige en drie-dimensionale. Om een beter inzicht in de 3D structuur van wind, golven, werd een poging gedaan metingen uit te voeren kwantitatieve tijdafhankelijke water oppervlakte hoogte over een uitgebreid gebied met behulp van stereo video imaging22. Als gevolg van onvoldoende computer stroom beschikbaar op de huidige en verwerking algoritmen die nog niet afdoende, deze pogingen bleken te zijn slechts gedeeltelijk succesvol. Echter bleek het gecombineerd gebruik van een conventionele elektrische capaciteit-type Golf meten en de LSG bevat waardevolle informatie over de ruimtelijke structuur van golven van de wind. Gelijktijdige toepassing van beide instrumenten kan onafhankelijke metingen met hoge temporele resolutie van de momentane oppervlakte hoogte en van de twee componenten van de ogenblikkelijke oppervlakte helling23. Deze metingen laten inschatting van zowel de dominante frequentie en dominante golflengte van de golven, evenals het verstrekken van inzicht in de structuur van de Golf in de richting loodrecht op de wind. Een Pitotbuis, die verticaal kan worden verplaatst door een computergestuurde motor, vormt een aanvulling op de set van sensoren en wordt gebruikt voor metingen van windsnelheid.
Al die onderzoeken maakte duidelijk dat willekeur en driedimensionaliteit van wind, golven resulteren in aanzienlijke variabiliteit van de gemeten parameters zelfs voor steady wind dwingen en één meting locatie. Dus, langdurige metingen met een duur die in overeenstemming is met de karakteristieke tijd schalen van het veld gemeten Golf zijn nodig om voldoende gegevens voor het extraheren van betrouwbare statistische hoeveelheden verzamelen. Waardevolle fysieke om inzicht te krijgen in de mechanismen inzake ruimtelijke variatie van het Golf-gebied, is het noodzakelijk om uit te voeren metingen op talrijke locaties en voor zoveel waarden van het debiet van de wind in het gedeelte test mogelijk. Om dit te bereiken, is het dus zeer wenselijk een geautomatiseerde experimentele procedure toe te passen.
Experimenten op golven opgewekt door wankele wind dwingen introduceren een extra niveau van complexiteit. In dergelijke studies is het noodzakelijk de momentane gemeten parameters op de momentane niveau van de windsnelheid. Overwegen experimenten op golven opgewonden van rest doordat een bijna impulsief wind als een belangrijk voorbeeld. In dit geval komen talloze onafhankelijke metingen van het veld van de wind-Golf evolueert onder invloed van de wind die varieert in de tijd na de dezelfde voorgeschreven patroon24. Zinvolle statistische parameters, uitgedrukt als functie van de tijd is verstreken sinds de opening van de luchtstroom, worden vervolgens berekend door het gemiddelde van de gegevens uit de geaccumuleerde ensemble van onafhankelijke realisaties. Deze verbintenis kan inhouden dat tientallen en honderden uren van continue bemonstering. De totale duur van experimentele sessies nodig om een dergelijke ambitieuze taak te volbrengen maakt de hele aanpak onhaalbaar, tenzij het experiment is volledig geautomatiseerd. Geen dergelijke volledig geautomatiseerde experimentele procedure in wind-golf faciliteiten heeft ontwikkeld tot voor kort. Dat is een van de belangrijkste redenen voor het gebrek aan betrouwbare statistische gegevens over wind golven onder het wankele dwingen.
Aangezien de inrichting gebruikt voor het experiment is niet opgebouwd uit verkrijgbare, off-the-shelf hardware, een korte beschrijving van de belangrijkste onderdelen vindt u hier.
Figuur 1. (Niet op schaal) Schematische weergave van de experimentele faciliteit. 1 – blower; 2 – instroom afwikkeling kamer; 3 – uitstroom regelen kamer; 4 – demper vakken; 5 – afdeling test; met een 6 – strand; 7 – warmtewisselaar; 8 – honingraat; 9 – mondstuk; 10 – studio wavemaker; 11 – klep; 12 – instrument vervoer; 13 – Golf gauge gedreven door een stappenmotor; 14 – Pitotbuis gedreven door een stappenmotor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
De experimentele faciliteit bestaat uit een gesloten lus windtunnel gemonteerd over een tank van de Golf (een schematische weergave is weergegeven in Figuur 1). Het gedeelte van de test is 5 m lang, 0.4 m breed en 0,5 m diep. De zijwanden en vloer zijn gemaakt van 6 mm dik glasplaten en een frame gemaakt van aluminium profielen worden omsloten. Een 40-cm lange klep biedt een vloeiende uitbreiding van de dwarsdoorsnede van de luchtstroom van het mondstuk aan het wateroppervlak. Golfenergie absorberen strand gemaakt van poreus verpakkingsmateriaal is gelegen aan het eind van de tank. Een computergestuurde blower kunt bereiken van gemiddelde stroom de luchtsnelheid in de sectie test tot 15 m/s.
De op maat gemaakte elektrische capaciteit-type 100 mm-lange golf gauge is gemaakt van geanodiseerd tantalium. 0.3 mm draad is gemonteerd op een verticale fase aangedreven door een motor van de PC-gecontroleerde stap ontworpen voor Golf gauge kalibratie. Een Pitot buis met een diameter van 3 mm wordt gebruikt voor het meten van de dynamische druk in de centrale luchtstroom onderdeel van de test.
De LSG, meten van de momentane 2D water oppervlakte helling, is geïnstalleerd op een frame losgekoppeld van de test-sectie die kan worden geplaatst op elke willekeurige locatie langs de tank (Figuur 2). LSG bestaat uit vier hoofdonderdelen: een laserdiode, een Fresnel-lens, een diffusive scherm en een positie Sensing Detector (PSD)-vergadering. De laserdiode genereert een 650 nm (rood), 200 mW focusseerbare laserstraal met diameter van ongeveer 0,5 mm. De 26.4 cm diameter Fresnel lens met een brandpuntsafstand van 22.86 cm regisseert de binnenkomende laserstraal naar de 25 x 25 cm2 diffusive scherm, gelegen in het terug brandvlak van de lens.
Figuur 2. Schematische weergave van de Laser helling Gauge (LSG). 1 – laserdiode; 2 – Fresnel lens; 3 – diffusive scherm; 4 – positie Sensor Detector (PSD). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Dit protocol beschrijft de procedure waarmee het uitvoeren van experimenten waarin talrijke parameters karakteriseren van wankele golven gelijktijdig onder tijdafhankelijke wind dwingen zijn gemeten. De procedure kan worden aangepast aan elke gewenste afhankelijkheid van windsnelheid op tijd dat kan worden bereikt met het oog op de technische beperkingen van de experimentele faciliteit. Dit protocol beschrijft specifiek experimenten waarbij in elke realisatie, begint de wind bijna impulsief over aanvankelijk kalm water. De constante wind dwingt vervolgens duurt lang genoeg daarvoor haalt het wind-Golf veld overal in het gedeelte test quasi stabiel staat. De wind is uiteindelijk sluit neer, weer bijna impulsief. In alle stadia, worden meerdere Golf parameters opgenomen. De procedure waarmee de berekening van de talrijke statistisch representatieve ensemble-gemiddeld hoeveelheden karakteriseren de ogenblikkelijke lokale wind-Golf-veld is roman, en werd ontwikkeld in de loop van recente experimenten uitgevoerd in onze faciliteit 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
De huidige experimentele protocol is gericht op kwantitatieve karakterisering van een golf-veld onder het wankele wind dwingen die in tijd en ruimte evolueert. Aangezien wind-golven in wezen willekeurige en drie-dimensionale zijn, en dus snel in tijd en ruimte variëren, records van individuele realisaties van een groeiende wind-Golf-veld onder tijdafhankelijke wind dwingen kunnen alleen het bieden van kwalitatieve ramingen van de Raad van bestuur Golf de parameters. Voor het bereiken van het doel van dit protocol en ver…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Israël Science Foundation, subsidie # 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).
