Mesures des ondes dans un réservoir de vent-vagues sous vent régulier et instationnaire forçant
Summary
Ce manuscrit décrit une procédure entièrement contrôlé par ordinateur qui permet d’obtenir des paramètres statistiques fiables d’expériences de vagues excités en forçant les vent stable et instable dans une installation à petite échelle.
Abstract
Cet article décrit une procédure expérimentale qui permet d’obtenir diverses informations quantitatives sur l’évolution temporelle et spatiale des vagues d’eau excités en forçant les vent dépendant du temps et stable. Calibre d’onde capacitance et jauge de pente du Laser (LSG) sont utilisés pour mesurer l’élévation de la surface d’eau instantanée et deux composantes de la pente de la surface instantanée à plusieurs endroits le long du tronçon d’essai d’une installation éolienne-vague. Le ventilateur commandé par ordinateur fournit des flux d’air au-dessus de l’eau dans le réservoir, dont le taux peut varier dans le temps. Dans ces expériences, la vitesse du vent dans la section test initialement augmente rapidement reste à la valeur programmée. Il est ensuite maintenue constante pendant toute la durée prescrite ; Enfin, le flux d’air est arrêté. Au début de chaque série expérimentale, la surface de l’eau est calme et il n’y a pas de vent. Fonctionnement du ventilateur est lancé simultanément avec l’acquisition des données fournies par les capteurs par un ordinateur ; acquisition de données se poursuit jusqu’à ce que les vagues dans le réservoir se désintègrent complètement. Plusieurs essais indépendants effectués dans les mêmes conditions de forçages permettent de déterminer statistiquement fiables paramètres caractéristiques moyennes d’ensemble qui décrivent quantitativement les variations de vent-waves à temps pour la phase de développement initial comme un fonction d’extraction. La procédure permet également de caractériser l’évolution spatiale du champ vague sous le vent constant forçant, ainsi que la décomposition des vagues dans le temps, une fois que le vent est arrêté, en fonction de la récupération.
Introduction
Depuis l’antiquité, il est bien connu que les vagues sur la surface de l’eau sont excités par le vent. La compréhension actuelle des mécanismes physiques qui régissent ce processus est loin d’être satisfaisante. Nombreuses théories tente de décrire de génération de vent-vagues ont été proposées sur les années1,2,3,4, mais leur validation expérimentale fiable n’est pas encore disponible. Mesures de vent aléatoires-vagues dans l’océan sont extrêmement difficiles en raison des vents imprévisibles qui peuvent varier rapidement dans la direction ainsi que dans l’ampleur. Des expériences en laboratoire ont l’avantage des conditions contrôlables permettant des mesures reproductibles et prolongées.
Sous vent constant forçant dans l’environnement de laboratoire, les vagues de vent évoluent dans l’espace. Premières expériences en laboratoire sur ondes sous forçage constant effectué depuis des décennies sont limitaient à élévation instantanée de la surface des mesures5,6,7,8. Des études plus récentes ont également employé diverses techniques optiques pour mesurer l’angle d’inclinaison de surface eaux instantanés tels que LSG9,10. Ces mesures a permis d’obtenir certains limitée des informations qualitatives sur la structure tridimensionnelle des champs de vent-vagues. Lorsque le vent forçage est instable, comme dans les expériences sur le terrain, complexité supplémentaire est introduite au problème de l’excitation de l’eau des vagues par le vent, puisque les paramètres statistiques du champ vague résultante varient non seulement dans l’espace, mais dans le temps ainsi. Les tentatives faites jusqu’à présent pour décrire les modèles d’évolution de vagues qualitativement et quantitativement sous forçage dépendant du temps étaient seulement partiellement réussi11,12,13,14 , 15 , 16. croissance des ondes en raison de l’action du vent et la contribution relative des différents mécanismes physiques plausibles qui peuvent mener à une excitation restent largement méconnues.
Notre centre expérimental a été conçu dans le but de permettre l’accumulation d’informations statistiques précises et diverses sur la variation des caractéristiques du champ de vent-vagues sous chaque forçage de vent stable ou instable. Deux principaux facteurs ont facilité mener ces études détaillées. Tout d’abord, la taille modeste des résultats dans l’évolution caractéristique relativement courte installation évolue dans le temps et l’espace. Deuxièmement, l’expérience entière est entièrement contrôlé par un ordinateur, permettant ainsi la performance de pistes expérimentales dans des conditions expérimentales différentes automatiquement et pratiquement sans intervention humaine. Ces caractéristiques de l’installation expérimentale sont d’une importance cruciale dans des expériences sur les ondes excités reste par vent impulsif.
La croissance spatiale des vagues de vent sous forçage constant a été étudiée dans notre établissement pour un éventail de vitesses de vent17. Résultats ont été comparés avec les estimations des taux de croissance basées sur la théorie de18 Miles telle que présentée par l’usine19. La comparaison a révélé que les résultats expérimentaux diffèrent notamment les prédictions théoriques. Les paramètres importants supplémentaires ont également étaient d’obtenus en17, comme la baisse de la pression moyenne dans la section d’essai, ainsi que les valeurs absolues et les phases des fluctuations de pression statique caractéristique. La contrainte de cisaillement à l’interface air-eau est essentielle pour la caractérisation de l’élan et l’énergie de transfert entre le vent et les vagues de17,19. Donc, en détail des mesures de la couche limite logarithmique et les fluctuations turbulentes dans le flux d’air au-dessus de l’eau vagues ont été effectués à plusieurs extractions et vent des vitesses20. Les valeurs de la friction vitesse u* à l’interface air-eau identifié dans cette étude ont été utilisées pour obtenir des paramètres adimensionnels statistiques des vent-vagues mesurées dans notre usine21. Ces valeurs ont été comparées avec les paramètres sans dimension correspondants obtenus dans les grandes installations expérimentales et expériences sur le terrain. Il a été démontré précédemment21 qu’avec la bonne échelle, les caractéristiques importantes du champ vent-vagues obtenus dans nos installations à petite échelle ne diffèrent pas significativement les données correspondantes accumulés dans le plus grand laboratoire installations et mesures de la mer ouverte. Ces paramètres incluent la croissance spatiale du représentant si la hauteur et longueur d’onde, la forme de la bande de fréquences de l’élévation de la surface, ainsi que les valeurs des moments statistiques plus élevés.
Les études ultérieures menées dans notre établissement22,23 a montré que les vagues de vent sont essentiellement aléatoire et en trois dimensions. Pour obtenir un meilleur aperçu de la structure 3D des vagues de vent, une tentative a été effectuée pour effectuer des mesures quantitatives de dépendant du temps de l’élévation de la surface l’eau sur une zone d’extension à l’aide de stéréo d’imagerie vidéo22. En raison de la puissance informatique inadéquat disponible à présents et traitement des algorithmes qui ne sont pas encore suffisamment efficaces, ces tentatives se sont avérés être seulement partiellement réussie. Toutefois, il a été démontré que l’utilisation combinée d’un calibre d’onde conventionnelle capacitance et la LSG fournit des renseignements précieux sur la structure spatiale des vagues de vent. L’application simultanée de ces deux instruments permet des mesures indépendantes avec une haute résolution temporelle de l’élévation de surface instantanée et des deux composantes de la pente de la surface instantanée23. Ces mesures permettent l’estimation de la fréquence dominante et longueur d’onde dominante de vagues, ainsi que fournir la structure de l’onde dans la direction perpendiculaire au vent. Un tube de pitot, qui peut être déplacé verticalement par un moteur commandé par ordinateur, complète l’ensemble des capteurs et est utilisé pour les mesures de vitesse du vent.
Toutes ces études clairement qu’aléatoire et la tridimensionnalité de vent vagues entraînent une variabilité significative des paramètres mesurés même pour stabiliser le vent forçage et un seul emplacement de mesure. Ainsi, a prolongé les mesures avec une durée proportionnelle à la fois caractéristique échelles du champ vague mesurées sont nécessaires pour accumuler suffisamment de renseignements permettant d’extraire des quantités statistiques fiables. Pour obtenir de précieuses informations physiques sur les mécanismes qui régissent la variation spatiale du champ vague, il est impératif d’effectuer des mesures à de nombreux endroits et pour des valeurs de la vitesse d’écoulement de vent autant que possible dans la section de l’essai. Pour atteindre cet objectif, il est donc hautement souhaitable d’appliquer une procédure expérimentale automatisée.
Expériences sur les ondes excités en forçant les vent instable va présenter un niveau de complexité supplémentaire. Dans ces études, il est impératif de relier les paramètres mesurés instantanées au niveau instantané de la vitesse du vent. Envisager des expériences sur les ondes excité du reste par un forçage de vent presque impulsif comme un exemple important. Dans ce cas, de nombreuses mesures indépendantes sont nécessaires du champ vent-onde évolue sous l’action du vent qui varie dans le temps suivant le même modèle prescrit24. Les paramètres statistiques significatives, exprimées en fonction du temps écoulé depuis l’ouverture du flux d’air, sont alors calculés en faisant la moyenne des données extraites de l’ensemble cumulé des réalisations indépendantes. Cette entreprise peut impliquer des dizaines et des centaines d’heures d’échantillonnage en continu. La durée totale des sessions expérimentales nécessaires pour accomplir une tâche aussi ambitieuse restitue toute l’approche irréalisable, à moins que l’expérience est entièrement automatisée. Aucune telle procédure expérimentale entièrement informatisé dans les installations de vent-vagues n’a été développé jusqu’à une date récente. C’est parmi les principales raisons de l’absence de données statistiques fiables sur les vagues de vent sous forçage instable.
Étant donné que les installations utilisées pour l’expérience ne sont pas construite de disponible dans le commerce, matériel sur étagère, une brève description de ses pièces principales est fournie ici.
Figure 1. Schéma (à ne pas mettre à l’échelle) vue de l’installation expérimentale. 1 – ventilateur ; 2 – apport décantation chambre ; 3 – sortie décantation chambre ; 4 – boîtes de silencieux ; 5 – section test ; avec un 6 – plage ; 7 – échangeur de chaleur ; 8 – nid d’abeille ; 9 – buse ; 10 – wavemaker ; 11 – Rabat ; 12 – transport instrument ; 13 – calibre vague entraînée par un moteur pas à pas ; 14 – tube de Pitot entraîné par un moteur pas à pas. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
L’installation expérimentale se compose d’une soufflerie de boucle fermée montée au-dessus d’une cuve à Houle (une vue schématique est illustrée à la Figure 1). La section test a 5 m de long, largeur 0,4 m et 0,5 m de profondeur. Les parois latérales et le plancher sont faits de plaques de verre d’épaisseur de 6 mm et sont enfermés dans un cadre en profilés d’aluminium. Un lambeau de long 40 cm fournit une expansion en douceur de la section transversale du flux d’air qui sort du gicleur à la surface de l’eau. Absorption d’énergie vague plage fait de matériel d’emballage poreux est située à l’extrémité du réservoir. Un ventilateur commandé par ordinateur permet d’atteindre la vitesse d’écoulement moyenne de l’air dans la section d’essai jusqu’à 15 m/s.
La jauge de 100 mm de longueur onde sur mesure de type capacitance faite de tantale anodisé. fil de 0,3 mm est monté sur une scène verticale actionnée par un moteur d’étape piloté par PC conçu pour l’étalonnage du manomètre vague. Un tube de Pitot d’un diamètre de 3 mm est utilisé pour mesurer la pression dynamique dans la partie centrale d’air de la section de l’essai.
La LSG, mesure la pente de la surface d’eau 2D instantanée, est installé sur un châssis détaché de la section d’essai qui peut être positionnée n’importe où le long du réservoir (Figure 2). LSG se compose de quatre parties principales : une diode laser, une lentille de Fresnel, un écran de diffusion et une Assemblée de détecteur de détection de Position (PSD). La diode laser génère un 650 nm (rouge), 200 mW laser Focus faisceau d’environ 0,5 mm de diamètre. Le diamètre de 26,4 cm lentille de Fresnel avec une longueur focale de 22,86 cm dirige le faisceau laser entrant à l’écran par diffusion de 25 x 25 cm2 , situé dans le plan focal arrière de la lentille.
Figure 2. Vue schématique de la jauge Laser de pente (LSG). 1 – laser diode ; 2 – lentille de Fresnel ; 3 – diffusion écran ; 4 – position capteur détecteur (PSD). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Ce protocole décrit la procédure qui permet de réaliser des expériences dans lesquelles nombreux paramètres caractérisant les vagues instables ont été mesurées simultanément dans vent dépendant du temps forçant. La procédure peut être réglée à n’importe quelle dépendance souhaitée de la vitesse du vent sur le temps qui peut être atteinte compte tenu des limitations techniques de l’installation expérimentale. Le présent protocole décrit plus précisément les expériences où dans chaque réalisation, vent recommence presque impulsivement eaux calmes au départ. Le vent constant, forçant alors dure assez longtemps que le champ de vent-vagues partout dans la section test atteint l’état quasi-stationnaire. Finalement, le vent est fermé vers le bas, encore une fois presque impulsivement. À tous les stades, plusieurs paramètres de vague sont enregistrées. La procédure qui permet le calcul de nombreuses quantités moyennes d’ensemble statistiquement représentatifs caractérisant le domaine d’instantané d’onde vent local est roman et a été développé dans le cadre des expériences récentes menées dans nos installations 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le présent protocole expérimental vise la caractérisation quantitative d’un champ d’ondes sous le vent instable forçage qui évolue dans le temps et l’espace. Puisque le vent-vagues sont essentiellement aléatoire et en trois dimensions et donc varient rapidement dans le temps et l’espace, comptes rendus de réalisations individuelles d’un champ de vent-vague croissante sous vent dépendant du temps forçant ne peuvent fournir que des évaluations qualitatives des directeurs paramètres de l’onde. Pour at…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le FNS Israël, subvention # 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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