מדידות של גלים בתוך מיכל גל תחת רוח יציב ולא משתנה הזמן מכריח
Summary
כתב יד זה מתאר הליך מלא מבוקר-מחשב זה מאפשר קבלת אמין פרמטרים סטטיסטיים מן הניסויים של גלי מים מתרגש על-ידי רוח לא יציב ויציבה אילוץ במתקן בקנה מידה קטן.
Abstract
כתב יד זה מתאר הליך ניסוי מאפשר קבלת מידע כמותי מגוונות על האבולוציה הגיאופוליטיות והמרחביות הטמפורלי של גלי מים מתרגש על-ידי אילוץ רוח תלויי-זמן ויציבה. מד קיבול מסוג גל ו מד שיפוע לייזר (LSG) משמשים כדי למדוד את גובה פני השטח מים מיידי, שני מרכיביה של המדרון משטח מיידי במספר מקומות לאורך סעיף מבחן של מתקן גל. מתקשרים מבוקר-מחשב מספק זרימת האוויר מעל המים במיכל שקצב יכול להשתנות עם הזמן. בניסויים הנוכחי, מהירות הרוח בסעיף מבחן בתחילה מגדיל במהירות משאר לערך קבוע. לאחר מכן נשמר קבוע למשך פרק הזמן שנקבע; בסופו של דבר, זרימת האוויר כיבוי. בתחילת כל הפעלה ניסיונית, פני המים הוא רגוע, אין רוח. הפעולה של מתקשרים הוא שיזם בו זמנית עם רכישת נתונים שסופקו על-ידי כל החיישנים מחשב; חדרי קירור והקפאה ממשיך עד הגלים במיכל מלא ריקבון. מספר הרצפים עצמאית תחת כפייה בתנאים זהים לאפשר קביעת אמין מבחינה סטטיסטית בממוצע-אנסמבל מאפיין פרמטרים המתארים באופן כמותי הוריאציה של רוח-גלים בזמן לשלב הפיתוח כמו פונקציית המקל. ההליך מאפשר גם אפיון ההתפתחות המרחבית של השדה גל תחת רוח יציב מכריח, כמו גם קרינת גלים בזמן, ברגע שהרוח כיבוי, כפונקציה של fetch.
Introduction
מאז ימי קדם, זה היה ידוע כי גלים על משטחים מים שמחים על ידי הרוח. ההבנה הנוכחית של המנגנונים הפיזי המנהלות תהליך זה הוא רחוק מלהספיק. תיאוריות רבות מנסה לתאר גל דור הוצעו לאורך שנים1,2,3,4, אולם אימות ניסיוני אמין שלהם אינה זמינה עדיין. המידות הרוח אקראי-גלים באוקיינוס הם מאתגר ביותר בשל רוח בלתי צפויים שעשויים להשתנות במהירות לכיוון באותה מידה כמו בסולם ריכטר. ניסויי מעבדה נחמדים יש יתרון לשליטה תנאים המאפשרים מדידות זמן ממושך ולא הדיר.
תחת רוח יציב מכריח בסביבת מעבדה, רוח-גלים להתפתח בחלל. הניסויים הראשונים מעבדה על גלי תחת אילוץ יציב שבוצעה לפני עשרות שנים היו מוגבלים עד גובה פני השטח מיידי מדידות5,6,7,8. מחקרים מאוחרים יותר מועסקים גם טכניקות שונות אופטי למדידת זווית הנטייה משטח מים מיידי, כגון LSG9,10. מדידות אלה מותר להזדיין מוגבלת מידע איכותי על מבנה תלת ממדי של שדות גל. כאשר הרוח מכריח היא יציבה, כפי שהיא שדה ניסויים, מורכבות נוספת הוא הציג לבעיה של עירור של גלי מים על ידי הרוח, מאז פרמטרים סטטיסטיים של שדה גל המתקבל משתנים לא רק בחלל אך בבוא העת גם כן. הניסיונות שנעשו עד כה כדי לתאר דפוסי ההתפתחות גל איכותית, באופן כמותי תחת תלויי-זמן מכריח היו רק הצלחה חלקית11,12,13,14 , 15 , 16. התרומה היחסית של מנגנונים שונים פיזי סביר שעשוי להוביל עירור וצמיחה של גלי עקב פעולה רוח ידוע בעיקר.
במתקן ניסיוני שלנו תוכנן במטרה מאפשר ההצטברות של מידע סטטיסטי מדויק ומגוון על וריאציה של גל ים-מאפייני שדה תחת רוח יציב או לא יציב או אילוץ. שני גורמים עיקריים הקלה בביצוע מחקרים אלה נתונים היסטוריים. ראשית, גודל צנוע של התוצאות מתקן באבולוציה האופיינית קצר יחסית אומד בזמן ובמרחב. שנית, הניסוי כולו נשלטת במלואה על ידי מחשב, ובכך מאפשר את הביצועים של מסלולי הניסוי בתנאים שונים ניסיוני כמעט באופן אוטומטי ללא התערבות אנושית. תכונות אלה של הסידור ניסיוני בעלות חשיבות מכרעת בביצוע ניסויים על גלי נרגשת בין השאר על ידי הרוח אימפולסיבי.
הצמיחה המרחבי של גלי רוח תחת אילוץ יציב נחקרה במתקן שלנו עבור טווח המהירויות ‘ רוח ‘17. התוצאות הושוו עם הערכות קצב הצמיחה מבוסס על תיאוריה18 Miles, כפי שהוצגו על ידי הצמח19. ההשוואה חשף כי תוצאות ניסויים שונים ובמיוחד תחזיות תיאורטיות. פרמטרים חשובים נוספים היו גם שהושג ב17, כגון לחץ כלומר ירידה סעיף מבחן, וכן הערכים המוחלטים של שלבים של תנודות האופיינית לחץ סטטי. גזירה על הממשק אוויר מים חיוני עבור אפיון של העברת תנע ואנרגיה בין17,של רוח וגלים –19. לכן, מפורט מדידות של השכבה גבול לוגריתמי ותנודות סוערים בזרימת האוויר מעל המים גלים בוצעו ב fetches רבים ורוח מהירויות20. ערכי החיכוך מהירות u* -הממשק מים אוויר נקבע במחקר זה שימשו כדי לקבל פרמטרים סטטיסטיים שהוא של הגלים-הרוח נמדד שלנו מתקן21. ערכים אלה הושוו עם הפרמטרים שהוא המקביל בשנת התקנות ניסיוני גדולות, שדה ניסויים. הוכח בעבר21 כי עם קנה המידה הנכון, המאפיינים החשובים של השדה גל שהושג במתקן בקנה מידה קטן שלנו לא נבדלים באופן משמעותי הנתונים המתאימים שנצבר במעבדה גדול יותר התקנות ומדידות לים הפתוח. פרמטרים אלה כוללים גידול המרחבי של גובה הגל נציג, אורך הגל, הצורה של הספקטרום תדר של גובה פני השטח, כמו גם את הערכים של רגעים סטטיסטית גבוהה יותר.
המחקרים הבאים ביצעה22,שלנו מתקן23 הראה כי רוח גלים הם בעיקרו של דבר אקראי ותלת -ממדיים. כדי לקבל תובנה טובה יותר לתוך מבנה תלת-ממדי של גלי הרוח, נעשה ניסיון לבצע מדידות כמותיים תלויי-זמן של גובה פני המים על פני שטח מורחבים באמצעות דימות סטריאו וידאו22. בגלל אספקת החשמל למחשב לקוי לרשותכם הנוכחי, בעיבוד אלגוריתמים שאינם עדיין מספיק יעיל, ניסיונות אלה התבררה רק הצלחה חלקית. עם זאת, הוכח כי שימוש משולב לאמוד גל קיבוליות קונבנציונלי-סוג של LSG מספק מידע חשוב על המבנה המרחבי של גלי הרוח. היישום בו זמנית של שני כלים אלה מאפשר מדידות עצמאי עם רזולוציה טמפורלית גבוהה של גובה פני השטח מיידי ושל שני מרכיביה של מדרון משטח מיידי23. מדידות אלה מאפשרות אומדן הן דומיננטי תדירות, אורך הגל הדומיננטי של הגלים, כמו גם מתן תובנה המבנה הגלי בכיוון נורמלית ברוח. צינור פיטו, אשר ניתן להעביר אנכית על ידי מנוע מבוקרת מחשב, משלים את ערכת חיישנים ומשמש למדידות של מהירות הרוח.
כל מחקרים אלה הבהיר תוצרת אקראיות, אתמהא הרוח גלים לגרום משמעותי השתנות הפרמטרים נמדד גם עבור יציב הרוח מכריח, מיקום המדידה יחיד. לפיכך, ממושך מדידות עם משך בקנה אחד עם הזמן האופייני סולמות של השדה גל נמדד נדרשים לצבור מידע מספיק עבור חילוץ כמויות סטטיסטי אמין. כדי לזכות בתובנה פיזי יקר מנגנונים המסדירים וריאציה המרחבי של השדה גל, זה הכרחי כדי לבצע מדידות במקומות רבים ועל ערכים רבים של קצב זרימת רוח ככל האפשר בסעיף מבחן. כדי להשיג מטרה זו, ולכן רצוי מאוד ליישם ניתוח ניסיוני אוטומטית.
ניסויים על גלי נרגש על-ידי רוח לא יציב אילוץ מציגים רמה נוספת של מורכבות. במחקרים כאלה, זה הכרחי להתייחס הפרמטרים נמדד מיידי הרמה מיידי של מהירות הרוח. שקול ניסויים על גלי נרגש משאר יכפו רוח כמעט אימפולסיבי בתור דוגמה חשובה. במקרה זה, מדידות עצמאיים רבים נדרשים של השדה גל מתפתח תחת הפעולה של הרוח משתנה עם הזמן בעקבות את התבנית שנקבעה באותו24. פרמטרים סטטיסטיים משמעות, באה לידי ביטוי גם פונקציה של הזמן שחלף מאז אתחול של זרימת אוויר, ואז מחושבים לפי ממוצע של הנתונים שחולצו מן האנסמבל מצטבר של מימושים עצמאית. התחייבות זו עשויה להיות כרוכה עשרות ומאות שעות של דגימה רציפה. משך הזמן הכולל של הפעלות ניסיוני נדרש לבצע משימה כל כך שאפתנית מעבד את כל התבנית ישים, אלא אם הניסוי הוא אוטומטי לחלוטין. מלא ממוחשב ניסיוני פרוצדורה משפטית כזאת לא במתקני גל ים-פותחה עד לאחרונה. . זה בין הסיבות העיקריות חוסר אמינות נתונים סטטיסטיים על גלי רוח תחת אילוץ לא יציב.
מאז המתקן המשמש את הניסוי לא נבנית זמינים מסחרית, חומרה מדף, תיאור קצר של חלקיו העיקריים מסופק כאן.
איור 1. מפרטים טכניים (לא לשנות את קנה המידה) תצוגה של מתקן ניסיוני. 1 – מפוח; 2 – תזרים להתיישב לחדר; 3 – יצוא להתיישב לחדר; 4 – משתיק תיבות; 5 – סעיף מבחן; עם 6 – החוף; 7 – מחליף חום; 8 – חלת דבש; 9 – זרבובית; 10 – wavemaker; 11 – דש; 12 – מכשיר הכרכרה; 13 – מד גל מונע על ידי מנוע stepper; 14 – צינור פיטו מונע על ידי מנוע stepper. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
מתקן ניסיוני מורכב במנהרת רוח לולאה סגורה רכוב נגמר טנק גל (מבט סכמטי מוצג באיור1). סעיף מבחן הוא 5 מ’, 0.4 מ’, וגובהה 0.5 m עמוק. ובמכסה והרצפה עשויים לוחות זכוכית עבה 6 מ מ, מוקפים בתוך מסגרת עשויה פרופילי אלומיניום. קפל זמן 40-ס מספק של הרחבת חלקה של חתך הרוחב זרימת האוויר מן הצינור אל פני המים. גל אנרגיה קליטת חוף חומר נקבובי אריזה הינו ממוקם בקצה של הטנק. מפוח מבוקר-מחשב מאפשר השגת מהירות זרימת האוויר אומר בסעיף מבחן עד 15 m/s.
המונה 100 מ מ באורך גל של קיבול בהזמנה אישית-סוג מורכב טנטלום מגולוון. חוט 0.3 מ מ, מותקן על שלב אנכי מונע על ידי מנוע צעד מבוקר מחשב המיועד לכיול מד גל. צינור פיטו בקוטר של 3 מ מ משמשת למדידת הלחץ דינמי בחלקו המרכזי זרימת האוויר של סעיף מבחן.
LSG, מדידת שיפוע משטח מים 2D מיידי, מותקן על מסגרת מנותקת סעיף מבחן זה ניתן למקם בכל מקום לאורך הטנק (איור 2). LSG מורכב מארבעה חלקים עיקריים: של דיודת לייזר, עדשות פרנל, מסך המפזרת, אסיפה גלאי חישה עמדה (PSD). דיודת לייזר יוצרת 650 nm (אדום), 200 mW ניתן למיקוד קרן לייזר עם קוטר של-0.5 מ מ. הקוטר ס מ 26.4 פרנל עדשה עם אורך מוקד של 22.86 ס מ מנחה את קרן הלייזר נכנס למסך 25 x 25 ס מ2 המפזרת ממוקם בתוך המטוס בחזרה מוקד של העדשה.
באיור 2. הצג סכימתי של מד שיפוע לייזר (LSG). 1 – לייזר דיודה; 2 – עדשת פרנל; 3 – מסך דיפוזיה; 4 – מיקום חיישן גלאי (PSD). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
פרוטוקול זה מתאר את ההליך המאפשר ביצוע ניסויים שבהם פרמטרים רבים אפיון גלים לא יציב נמדדים בו-זמנית תחת רוח תלויי-זמן מכריח. ניתן לכוונן את ההליך בכל הרצוי התלות של מהירות הרוח זמן אשר יכולה להיות מושגת על רקע המגבלות הטכניות של מתקן ניסיוני. בפרוטוקול הנוכחי מתאר במפורש ניסויים, שבו כל מימוש הרוח מתחילה כמעט בפזיזות מעל המים רגועים בתחילה. הרוח יציב מכריח ואז נמשך מספיק זמן לזה השדה גל בכל מקום בסעיף מבחן משיגה המדינה ומעין יציב. הרוח בסופו של דבר נסגר למטה, שוב כמעט בפזיזות. בכל שלבי, נרשמים פרמטרים גל מרובים. הליך זה מאפשר חישוב של רבים סטטיסטית נציג בממוצע-אנסמבל כמויות אפיון השדה מיידי מקומיים-גל הוא רומן, פותחה במהלך הניסויים האחרונים ביצעו במתקן שלנו 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול הניסוי הנוכחי מכוונת אפיון כמותי של שדה גל תחת רוח לא יציב מכריח מתפתח בזמן ובמרחב. כיוון הרוח-גלים במהותו אקראי ותלת -ממדיים, ובכך להשתנות במהירות בזמן ובמרחב, רשומות של מימושים בודדים של שדה גל גדל תחת רוח תלויי-זמן אילוץ יכול לספק רק הערכות איכותי של המסדירים גל פרמטרים. כדי להש?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, גרנט 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).
