Medições das ondas num tanque de ondas vento sob vento constante e variáveis no tempo forçando

Summary

Este manuscrito descreve um procedimento totalmente controlada por computador que permite a obtenção de parâmetros estatísticos fiáveis de experimentos de ondas de água animados forçando vento constante e instável em uma instalação em pequena escala.

Abstract

Este manuscrito descreve um procedimento experimental que permite a obtenção de diversas informações quantitativas sobre a evolução temporal e espacial das ondas de água animadas pelo tempo-dependente e constante vento forçando. Medidor de onda de capacitância-tipo e calibre de inclinação de Laser (LSG) são usados para medir a elevação da superfície água instantâneos e dois componentes da superfície inclinação instantânea em vários locais ao longo da secção de teste de uma instalação de vento-onda. O ventilador controlado por computador fornece o fluxo de ar sobre a água no tanque cuja taxa pode variar no tempo. Nas experiências presentes, a velocidade do vento na seção teste inicialmente aumenta rapidamente de resto ao valor ajustado. Então é mantida constante durante o período prescrito; Finalmente, o fluxo de ar é desligado. No início de cada execução experimental, a superfície da água é calma e sem vento. Operação do ventilador é iniciada simultaneamente com a aquisição dos dados fornecidos pelos sensores de todos por um computador; aquisição de dados continua até que as ondas no tanque totalmente decaem. Várias execuções independentes realizadas sob condições idênticas de forçar permitem determinar estatisticamente confiáveis parâmetros característicos ensemble-média que descrevem quantitativamente a variação do vento-waves em tempo para a fase inicial de desenvolvimento como um função de busca. O procedimento também permite caracterizar a evolução espacial do campo de onda sob vento constante forçando, bem como a deterioração das ondas no tempo, uma vez que o vento está desligado, como uma função de busca.

Introduction

Desde os tempos antigos, foi bem conhecido que as ondas em superfícies de água estão animadas pelo vento. O atual entendimento dos mecanismos físicos que governam este processo está longe de ser satisfatória. Inúmeras teorias para tentar descrever a geração da onda de vento foram propostas sobre os anos^1,2,3,4, no entanto, sua validação experimental confiável ainda não está disponível. Medições de vento-ondas aleatórias no oceano são extremamente desafiadoras devido ao vento imprevisível que pode variar rapidamente em direção, bem como na magnitude. Experiências laboratoriais têm a vantagem de condições controláveis que permitem medições prolongadas e repetíveis.

Sob o vento constante forçando no ambiente de laboratório, vento-ondas evoluem no espaço. Primeiras experiências de laboratório em ondas sob constante forçando realizada há décadas foram limitadas a elevação instantânea da superfície medições^5,6,7,8. Estudos mais recentes também empregou várias técnicas ópticas para medir o ângulo de inclinação de superfície de água instantâneos, tais como LSG^9,10. Essas medições podem recebendo algum limitado de informações qualitativas sobre a estrutura tridimensional dos campos de vento-onda. Quando vento forçar é instável, como em experimentos de campo, complexidade adicional é introduzida para o problema da excitação de água waves pelo vento, uma vez que os parâmetros estatísticos do campo de onda resultante variam não apenas no espaço, mas no tempo também. As tentativas feitas até agora para descrever padrões de onda evolução qualitativa e quantitativamente sob dependente do tempo forçando foram apenas parcialmente bem sucedida^{11,12,13,14 , 15 , 16}. crescimento das ondas devido a ação do vento e a contribuição relativa de diferentes mecanismos físicos plausíveis que podem levar à excitação permanece desconhecidas.

Nossa instalação experimental foi projetada com o objetivo de permitir a acumulação de precisas e diversas informações estatísticas sobre a variação das características do campo de vento-onda sob qualquer vento estável ou instável forçando. Dois fatores principais facilitaram a realização desses estudos detalhados. Primeiro, o tamanho modesto dos resultados facilidade na evolução característica relativamente curta escalas no tempo e no espaço. Em segundo lugar, todo o experimento é totalmente controlado por um computador, permitindo assim o desempenho de corridas experimentais sob diferentes condições experimentais automaticamente e praticamente sem intervenção humana. Estas características a montagem experimental são de importância crucial na realização de experiências sobre ondas animadas de resto pelo vento impulsivo.

Crescimento espacial de vento-ondas sob constante forçando tem sido estudado em nossas instalações para uma gama de velocidades de vento¹⁷. Os resultados foram comparados com as estimativas de taxa de crescimento baseadas na teoria¹⁸ Miles, tal como apresentado pela planta¹⁹. A comparação revelou que os resultados experimentais diferem notavelmente as previsões teóricas. Parâmetros adicionais importantes também foram obtidos em¹⁷, tais como a gota de pressão média na seção de teste, bem como os valores absolutos e fases das flutuações da pressão de estática característica. A tensão de cisalhamento na interface ar-água é essencial para a caracterização da transferência de momentum e energia entre o vento e as ondas de^17,19. Portanto, medidas da camada limite logarítmica e as flutuações turbulentas no fluxo de ar acima da água, ondas foram realizadas em inúmeras buscas e vento velocidades²⁰detalhadas. Os valores da fricção velocidade u_* na interface ar-água determinada neste estudo foram usados para obter parâmetros estatísticos adimensionais dos vento-ondas medidos em nossa facilidade²¹. Estes valores foram comparados com os parâmetros adimensionais correspondentes obtidos em grandes instalações experimentais e experimentos de campo. Foi demonstrado anteriormente²¹ que com a escala correta, as características importantes do campo de vento-onda obtidas em nossas instalações em pequena escala não diferem significativamente os dados correspondentes acumulada no maior laboratório instalações e medições de mar aberto. Esses parâmetros incluem crescimento espacial do representante da altura e comprimento de onda, a forma do espectro de frequências da elevação da superfície, bem como os valores mais elevados momentos estatísticos.

Os estudos subsequentes realizados em nossas instalações de^22,23 mostraram que as ondas de vento são essencialmente aleatórios e tridimensional. Para obter uma visão melhor da estrutura 3D de ondas do vento, foi feita uma tentativa para realizar medições de tempo-dependente quantitativas de elevação da superfície água sobre uma área estendida usando imagem vídeo estéreo²². Devido ao poder de computador insuficiente disponível no presentes e processamento de algoritmos que ainda não são suficientemente eficazes, estas tentativas provaram para ser apenas parcialmente bem sucedida. No entanto, foi demonstrado que o uso combinado de um medidor de onda de capacitância-tipo convencional e a LSG fornece informações valiosas sobre a estrutura espacial das ondas de vento. Aplicação simultânea de ambos os instrumentos permite medições independentes com alta resolução temporal da elevação instantânea da superfície e dos dois componentes da inclinação de superfície instantânea²³. Estas medidas permitem a estimativa da tanto a frequência dominante e comprimento de onda dominante de ondas, bem como fornecer insights sobre a estrutura de onda na direção normal ao vento. Um tubo de pitot, que pode ser movido verticalmente por um motor controlado por computador, complementa o conjunto de sensores e é usado para a medição da velocidade do vento.

Todos esses estudos feito claro que aleatoriedade e tridimensionalidade do vento, ondas resultam em significativa variabilidade dos parâmetros medidos mesmo para constante vento forçando e em um único local de medição. Assim, uma prolongada medições com duração proporcional com o tempo característico escalas do campo de onda medido são necessários para acumular informações suficientes para extrair quantidades estatísticas fiáveis. Para obter insights valiosos físico sobre os mecanismos que regem a variação espacial do campo de onda, é imperativo para efectuar medições em vários locais e para tantos valores da taxa de fluxo de vento quanto possível na seção de teste. Para atingir este objetivo, assim, é altamente desejável para aplicar um procedimento experimental automatizado.

Experiências com ondas animadas pelo vento instável forçando introduzir um nível adicional de complexidade. Em tais estudos, é imperativo para relacionar os parâmetros medidos instantâneos para o nível instantâneo da velocidade do vento. Experiências com ondas considere animado de resto forçando um vento quase impulsivo como um exemplo importante. Neste caso, inúmeras medições independentes são necessários do campo de vento-onda evoluindo sob a ação do vento que varia no tempo, seguindo o mesmo padrão prescrito²⁴. Parâmetros estatísticos significativos, expressados como uma função do tempo decorrido desde o início do fluxo de ar, então são calculados em média os dados extraídos do conjunto acumulado de realizações independentes. Esta empresa pode envolver dezenas e centenas de horas de amostragem contínua. A duração total de sessões experimentais necessários para realizar uma tarefa ambiciosa processa toda a abordagem inviável, a menos que a experiência é totalmente automatizada. Tais procedimentos não totalmente informatizado e experimental em instalações de vento-onda foi desenvolvido até recentemente. Que está entre as principais razões para a falta de dados estatísticos fiáveis sobre as ondas de vento sob forçando instável.

Desde que a instalação utilizada para o experimento não é construída a partir de disponível comercialmente, hardware de prateleira, uma breve descrição das principais partes é fornecida aqui.

Figura 1. Diagrama esquemático (não escala) vista da facilidade experimental. 1 – ventilador; 2 – influxo resolução câmara; 3 – saída resolução câmara; 4 – caixas de silenciador; 5 – seção teste; com um 6 – praia; 7 – trocador de calor; 8 – favo de mel; 9 – bocal; 10 – wavemaker; 11 – aba; 12 – transporte de instrumento; 13 – calibre onda, impulsionado por um motor de passo; 14 – tubo de Pitot, impulsionado por um motor de passo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A instalação experimental consiste em um túnel de vento de circuito fechado montado sobre um tanque de onda (uma visão esquemática é mostrada na Figura 1). A seção de teste é 5 m tempo, 0,4 m de largura e 0,5 m profundo. As paredes laterais e o assoalho são feitas de placas de vidro de espessura de 6 mm e são colocados dentro de um quadro de perfis de alumínio. Uma aleta longa 40 cm fornece uma expansão suave da secção transversal do fluxo de ar do bico até a superfície da água. Praia de material poroso embalagem de absorção de energia de onda situa-se na extremidade do tanque. Um ventilador controlado por computador permite atingir a velocidade de fluxo de ar médio na seção de teste até 15 m/s.

A bitola de 100 mm de comprimento de onda sob medida de capacitância-tipo é feita de tântalo anodizado. fio de 0,3 mm é montado em uma fase vertical impulsionada por um motor de passo controlado por PC projetado para calibração do medidor de onda. Um tubo de Pitot com um diâmetro de 3 mm é usado para medir a pressão dinâmica na parte central do fluxo de ar da seção de teste.

O LSG, medindo a inclinação de superfície 2D de água instantâneos, está instalado em um quadro retirado da seção de teste que pode ser posicionada em qualquer local ao longo do tanque (Figura 2). LSG consiste de quatro partes principais: um díodo laser, uma lente de Fresnel, uma tela difusiva e uma montagem do Detector de sensoriamento de posição (PSD). O diodo do laser gera uma 650 nm (vermelho), 200 mW focusable raio laser com diâmetro de cerca de 0,5 mm. A 26,4 cm de diâmetro da lente de Fresnel com distância focal de 22,86 cm direciona o feixe de laser de entrada para a tela difusiva de 25 x 25 cm² situado no plano focal volta da lente.

Figura 2. Visão esquemática do calibre de inclinação a Laser (LSG). 1 – laser diodo; 2 – lente de Fresnel; 3 – tela difusiva; 4 – posição Sensor Detector (PSD). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Este protocolo descreve o procedimento que permite fazer experiências em que diversos parâmetros que caracterizam as ondas instáveis são medidos simultaneamente sob dependente do tempo vento forçando. O procedimento pode ser ajustado para qualquer dependência desejada da velocidade do vento na hora que pode ser alcançada, tendo em conta as limitações técnicas da instalação experimental. O presente protocolo descreve especificamente os experimentos em que em cada realização, vento começa quase impulsivamente inicialmente calmas águas. O vento constante, forçando então dura por tempo suficiente para que o campo de vento-onda em toda a seção de teste alcança quase constante estado. O vento está fechado eventualmente para baixo, novamente, quase impulsivamente. Em todas as fases, registam-se vários parâmetros de onda. O procedimento que permite o cálculo dos numerosos quantidades estatisticamente representativas ensemble-média, caracterizando o campo local instantânea do vento-onda é romance e foi desenvolvido no decorrer de experiências recentes realizadas em nossas instalações ^{22 , 23 , 24}.

Protocol

1. preparação do sistema Encha o tanque com água da torneira até uma profundidade de cerca de 20 cm para satisfazer a condição de águas profundas; Limpe a superfície da água de quaisquer contaminantes que possam afectar a tensão superficial. Posição a carruagem de instrumento para a busca do desejado. Monte o tubo de Pitot e posicione-o no centro da parte da seção de teste de fluxo de ar. Monte o medidor de onda num palco vertical controlado por computador para permiti…

Representative Results

Os resultados representativos ensemble-em média, são plotados na Figura 6, Figura 7e Figura 8. A variação dos valores RMS da elevação da superfície instantânea <η2>1/2 que caracteriza a amplitude das ondas vento aleatório como apresentado na Figura 6 , em função do tempo decorrido desde a iniciação do sop…

Discussion

O presente protocolo experimental destina-se a caracterização quantitativa de um campo de onda sob vento instável forçando que evolui no tempo e no espaço. Desde que o vento-ondas são essencialmente aleatórios e tridimensional e assim variam rapidamente no tempo e no espaço, registros de realizações individuais de um campo de vento-onda crescente sob dependente do tempo vento forçando só podem fornecer estimativas qualitativas dos governantes parâmetros de onda. Para atingir o objetivo do presente protocolo …

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