Измерения волн в цистерне заставляя устойчивый и времени ветер Ветер волны
Summary
Эта рукопись описывает полностью под контролем компьютера процедура, которая позволяет получать надежные статистические параметры из экспериментов взволнован, заставив устойчивый и нестационарных Ветер в объекте мелких волн на воде.
Abstract
Эта рукопись описывает экспериментальная процедура, которая позволяет получать различные количественной информации о временнóй и пространственной эволюции водных волн возбужденных, заставляя время зависимых и стабильный ветер. Емкость типа волны датчика и датчика лазерные склон (МСУ) используются для измерения мгновенного воды поверхности фасада и двух компонентов мгновенной поверхности склона на ряд мест вдоль тестового объекта Ветер волны. Управляемая компьютером вентилятора обеспечивает поток воздуха над водой в баке, скорость которого может меняться во времени. В настоящее время экспериментов скорость ветра в разделе тест изначально быстро увеличивается от отдыха на заданное значение. Он затем остается неизменной в течение предписанного; Наконец воздушный поток завершает работу. В начале каждого экспериментального запуска, поверхности воды спокойной, и нет ветра. Операция воздуходувки инициируется одновременно с приобретением данных, предоставляемых всех датчиков компьютера; сбора данных продолжается до тех пор, пока волны в бак полностью разлагаются. Несколько независимых запусков, выполняемую в одинаковых заставляя условиях позволяют определять статистически достоверное ансамбль в среднем характерные параметры которые количественно описать ветровых волн различия во времени на начальном этапе развития как Функция выборки. Процедура также позволяет, характеризующие пространственной эволюции волнового поля под стабильный ветер принуждение, а также распад волн в момент, когда ветер завершает работу, как функция fetch.
Introduction
С древних времен это было хорошо известно, что волны на поверхности воды в восторге от ветра. Нынешнее понимание физических механизмов, которые регулируют этот процесс является далеко не удовлетворительным. Множество теорий, чтобы описывать Ветер волна поколения были предложены за годы1,2,3,4, однако их надежная экспериментальная проверка еще не доступен. Чрезвычайно сложной из-за непредсказуемых ветер, что может быстро меняться в направлении, как хорошо величины измерения случайных Ветер волны в океане. Лабораторные эксперименты имеют преимущество контролируемых условий, позволяющих продолжительное и повторяемости измерений.
В устойчивый ветер, заставляя в лабораторной среде Ветер волны развиваться в пространстве. Ранние лабораторных экспериментов на волнах под устойчивый заставляя выполняется несколько десятилетий назад были ограничены мгновенной поверхности фасада измерений5,6,,78. Более недавние исследования также работу различных оптических методов измерения поверхности угол мгновенно воды, такие как МСУ9,10. Эти измерения позволили получить некоторые ограниченные качественную информацию о трехмерной структуры Ветер волновых полей. Когда ветер заставляя нестабильно, как это в полевых экспериментов, дополнительные сложности представлен к проблеме воды волны возбуждения ветер, поскольку статистические параметры результирующего поля волны различаются не только в пространстве, но в времени также. Попытки пока качественно и количественно описать эволюции структуры волны под время зависимых заставляя были лишь частично успешными11,12,13,14 , 15 , 16. относительный вклад различных вероятных физические механизмы, которые могут привести к возбуждению и рост волны из-за ветра действий остается неизвестным.
Наш экспериментальный центр был разработан с целью включение накопление точной и разнообразной статистической информации о вариации характеристик поля Ветер волны под либо заставив устойчивый или нестационарных ветер. Два основных фактора способствовали реализации этих подробных исследований. Во-первых скромный размер объекта результатов в относительно короткий характерный эволюции весы во времени и пространстве. Во-вторых всего эксперимента полностью контролируется компьютером, таким образом обеспечивая производительность экспериментальные запуски различных экспериментальных условиях автоматически и практически без вмешательства человека. Эти особенности экспериментальной установки имеют решающее значение при выполнении экспериментов на волнах взволнован от остальных импульсивный ветром.
Пространственного роста Ветер-волн под устойчивый заставляя изучалось в нашем учреждении для диапазона скоростей ветра17. Результаты были сопоставлены с оценки темпы роста, основанные на теории18 км, представленный завод19. Сравнение показало, что экспериментальные результаты отличаются особенно от теоретических прогнозов. Дополнительные важные параметры были также полученные в17, таких как падение среднего давления в раздел теста, а также абсолютные значения и фазы колебаний характерным статического давления. Касательное напряжение на воздух вода интерфейс имеет важное значение для характеристики передачи импульса и энергии между Ветер и волны17,19. Таким образом подробные измерения логарифмической пограничного слоя и турбулентного колебания воздушного потока над водой волны были исполнены на многочисленных выборки и ветер скорости20. Для получения безразмерные статистических параметров ветра-волны измеряется в наш фонд21были использованы значения трения скорости u* на воздух вода интерфейс определяется в настоящем исследовании. Эти значения были сопоставлены с соответствующими безразмерные параметры, полученные в крупных экспериментальных установок и полевых экспериментов. Это было продемонстрировано ранее21 что с правильного масштабирования, важные характеристики ветра волнового поля, полученные в нашем мелких объекте существенно не отличается от соответствующих данных накапливается в больших лаборатории установок и измерениям открытое море. Эти параметры включают пространственного роста представительных волны высоты и длины волны, форма частотного спектра поверхности фасада, а также значения выше статистических моментов.
Последующие исследования, проведенные в нашем объекте22,23 показал, что ветровые волны являются по существу случайными и трехмерные. Чтобы получить лучшее понимание 3D структура ветровых волн, была предпринята попытка для выполнения количественных измерений время зависимых поверхности фасада воды через расширенную область с помощью стерео видео изображений22. Из-за неадекватной компьютерные мощности доступны в настоящее время и обработки алгоритмов, которые еще не являются достаточно эффективными эти попытки оказались лишь частично успешными. Однако было продемонстрировано, что совместное использование обычных емкости типа волны датчика и МСУ предоставляет ценную информацию о пространственной структуре ветровых волн. Одновременное применение обоих этих документов позволяет независимым измерения с высоким временным разрешением мгновенной поверхности фасада и двух компонентов мгновенной поверхности склона23. Эти измерения позволяют оценки доминирующей частоты и доминирующей волновой длины волны, а также обеспечивая понимание волновой структуры в направлении нормали к ветру. Трубка Пито, которая может перемещаться вертикально компьютерным управлением двигателем, дополняет набор датчиков и используется для измерения скорости ветра.
Все эти исследования, четко, что случайности и трехмерность ветра, волн, привести к значительной изменчивости измеренных параметров даже постоянный ветер принуждение и одного измерения местоположения. Таким образом продлен измерения с длительностью, соизмеримые с характерным временем шкал измерения волнового поля необходимо накопить достаточную информацию для получения надежных статистических величин. Чтобы получить ценную физическим в механизмы, регулирующие пространственной вариации поля волны, крайне важно проводить измерения в различных точках и для как много значений скорости потока ветра как можно в разделе тест. Для достижения этой цели, весьма желательно таким образом применять автоматизированные экспериментальной процедуры.
Эксперименты на волнах возбужденных, заставляя нестационарных Ветер ввести дополнительный уровень сложности. В таких исследованиях важно связать мгновенной измеряемых параметров до уровня мгновенной скорости ветра. Рассмотрим эксперименты на волнах взволнован от остальной заставив почти импульсивный ветра как важный пример. В этом случае многочисленные независимые измерения необходимо Ветер волнового поля развивается под действием ветра, который меняется во времени после же установленный шаблон24. Значимых статистических параметров, выраженные как функцию от времени прошло с момента начала потока воздуха, затем рассчитываются путем усреднения данных, извлеченных из накопленного ансамбль независимых реализаций. Это обязательство может включать десятки и сотни часов непрерывного отбора проб. Общая продолжительность экспериментальных сессий, необходимых для выполнения такого амбициозная задача делает весь подход неосуществимым, если эксперимент полностью автоматизирован. Нет такой полностью компьютеризированная экспериментальной процедуры в Ветер волны зал был разработан до недавнего времени. Что является одной из главных причин для отсутствия надежных статистических данных о ветровых волн под нестационарных принуждение.
Поскольку объект, используемый для эксперимента не построены из коммерчески доступных, готовых аппаратных, приводится краткое описание его основных частей здесь.
Рисунок 1. Схема (не в масштабе) вид экспериментальный центр. 1 – Вентилятор; 2 – приток урегулирования камеры; 3 – отток урегулирования камеры; 4 – глушитель коробки; 5 – раздел теста; с 6 – пляж; 7 – теплообменник; 8 – сот; 9 – сопло; 10 – wavemaker; 11 – заслонки; 12 – инструмент перевозки; 13 – волны датчика обусловлен шагового двигателя; 14 – трубка Пито управляется шаговым двигателем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Экспериментальный центр состоит из замкнутых аэродинамической смонтированном волна танк (Схематический вид показан на рис. 1). Раздел теста является глубоко 5 м длиной, шириной 0,4 м и 0,5 м. Боковые стенки и пол изготовлены из пластин стекла толщиной 6 мм и заключены в рамку из алюминиевых профилей. 40 см длиной заслонки обеспечивает плавное расширение поперечного сечения потока воздуха от сопла к поверхности воды. Волна энергопоглощающие пляж из пористых упаковочного материала находится в дальнем конце бака. Воздуходувки, управляемая компьютером позволяет достичь среднюю скорость воздушного потока в разделе тест до 15 м/сек.
На заказ емкость тип датчика 100 мм длиной волны изготовлен из анодированного тантал. 0.3 мм провод монтируется на вертикальной этап, движимый PC-контролируемых шагового двигателя, предназначенные для калибровки датчика волны. Трубка Пито с диаметром 3 мм используется для измерения динамического давления в Центральной воздуха части раздела тестирования.
МСУ, измерение мгновенных 2D воды поверхность склона, устанавливается на раму, отделен от секции теста, которые могут располагаться в любом месте вдоль бака (рис. 2). LSG состоит из четырех основных частей: лазерный диод, линза Френеля, диффузионные экрана и Ассамблеи позицию зондирования детектор (PSD). Лазерный диод генерирует 650 Нм (красный), 200 МВт фокусируемый луч лазера с диаметром около 0,5 мм. 26,4 см диаметр линзы Френеля с фокусным расстоянием 22.86 см направляет входящие лазерный луч на 25 x 25 см2 диффузионное экран находится в обратно фокальной плоскости объектива.
Рисунок 2. Схематическое представление лазерного датчика наклона (МСУ). 1 – лазерный диод; 2 – линза Френеля; 3 – диффузионного экран; 4 – позиционный датчик детектора (PSD). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Этот протокол описывает процедуру, которая позволяет выполнять эксперименты, в которых многочисленные параметры, характеризующие нестационарных волн измеряются одновременно под Ветер время зависимых принуждение. Процедура может настраиваться для любого желаемого зависимость скорости ветра на время, которое может быть достигнуто ввиду технических ограничений экспериментальный центр. Настоящий Протокол описывает специально эксперименты, в которых в каждой реализации, ветер начинает почти импульсивно над первоначально спокойной водой. Стабильный ветер, затем заставляя длится достаточно долго, что ветер волнового поля везде в разделе тест достигает квазистатических государства. Ветер в конечном итоге закрыта вниз, снова почти импульсивно. На всех этапах записал несколько параметров волн. Процедура, которая позволяет вычисления многочисленных статистически репрезентативной ансамбль в среднем величин, характеризующих мгновенных местных Ветер волнового поля — Роман и был разработан в ходе недавних экспериментов, проведенных в нашем объекте 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Настоящий экспериментальный протокол направлен на количественной характеристики волнового поля под заставляя нестационарных ветер, который развивается во времени и пространстве. Поскольку Ветер волны являются по существу случайными и трехмерные и таким образом быстро изменяться в?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Фондом науки Израиля, Грант # 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).
