Sürekli ve zaman değişen Rüzgar zorlama altında bir rüzgar dalga Tank dalgalar ölçümleri
Summary
Bu el yazması su dalgalar küçük ölçekli bir tesiste sürekli ve kararsız Rüzgar zorlayarak heyecanlı deneyler üzerinden güvenilir istatistiksel parametreleri almak sağlanır tamamen bilgisayar kontrollü bir yordam açıklanır.
Abstract
Bu el yazması su dalgaları zamana bağımlı ve sürekli rüzgar zorlayarak heyecanlı zamansal ve mekansal evrim çeşitli kantitatif bilgi almak sağlanır deneysel bir işlem açıklanır. Kapasite türü dalga ölçer ve lazer eğim ölçer (LSG) ani su yüzey kotu ve anlık yüzey yamaç boyunca test bölümü rüzgar dalga tesisin yerlerden, iki bileşenden ölçmek için kullanılır. Bilgisayar kontrollü üfleyici hava akımı ve suyun içinde belgili tanımlık tank olan oranı zaman içinde değişebilir sağlar. Mevcut deneylerde, Rüzgar hızı testi bölümünde başlangıçta hızla diğerlerinden ayarlanmış değere artar. Bu daha sonra sürekli için öngörülen süre tutulur; son olarak, hava akımı kapamak aşağı. Her deneysel çalışması başında su yüzeyi sakindir ve Rüzgar yok. Körük işlemi aynı anda tüm sensörler tarafından sağlanan verileri edinimi ile bir bilgisayar tarafından başlatılan; içinde belgili tanımlık tank dalgalar tam çürüme kadar veri toplama devam eder. Kantitatif ilk geliştirme aşamasına zamanı rüzgar dalgaları varyasyon açıklayan istatistiksel olarak güvenilir ensemble ortalama karakteristik parametrelerin belirlenmesi aynı zorlayan koşullar altında gerçekleştirilen birden çok bağımsız çalıştırma izin bir işlev getirme. Yordamı da zamanla, Rüzgar getirme bir fonksiyonu olarak kapatılmadan bir kez kayma evrim sürekli rüzgar zorlama altında dalga alanının yanı sıra dalgalar çürüme karakterize sağlar.
Introduction
Eski zamanlardan beri bilinen dalgalar su yüzeyleri üzerinde rüzgar tarafından heyecanlı mısın olmuştur. Bu süreci yöneten fiziksel mekanizma şimdiki anlayış çok tatmin edici. Ancak onların güvenilir deneysel doğrulama henüz kullanılabilir değil, çok sayıda teorileri rüzgar dalga üretimi açıklamak çalışırken yıl1,2,3,4üzerinde önerilmiştir. Okyanusun rastgele Rüzgar dalgaların ölçümleri hızlı bir şekilde olduğu gibi büyüklüğü de yönde değişebilir öngörülemeyen rüzgar nedeniyle son derece zor. Laboratuvar deneyleri uzun süreli ve tekrarlanabilir ölçümler etkinleştirmek kontrol edilebilir koşulları avantajına sahip.
Laboratuvar ortamında zorlama sürekli rüzgar altında Rüzgar-dalgalar uzayda gelişmeye. Erken laboratuvar deneyleri sürekli zorlama altında dalgalar üzerinde yirmi yıl önce gerçekleştirilen anlık yüzey yükseklik ölçüleri5,6,7,8‘ e sınırlıydı. Daha yeni çalışmalar da ani su yüzey eğim açısı, LSG9,10gibi ölçmek için çeşitli optik teknikler istihdam. Bu ölçümler kimileri rüzgar dalga alanlarının üç boyutlu yapısı hakkında Nitel bilgi sınırlı izin. Sahada yapılan deneyler olduğu gibi Rüzgar zorlama kararsız, ne zaman, sadece uzayda ama bu sürede de istatistiksel parametreleri elde edilen dalga alanın değişken olduğundan ek karmaşıklığı su dalgaları uyarma sorun Rüzgar tarafından tanıtıldı. Defa Saat-bağımlı zorlama altında nitelik ve nicelik dalga evrim kalıpları açıklamak için yapılan girişimleri sadece kısmen başarılı11,12,13,14 olduğunu , 15 , 16. uyarma için neden olabilir farklı makul fiziksel mekanizmaları göreli katkısını ve büyüme dalgalar Rüzgar eylem nedeniyle büyük ölçüde bilinmeyen kalır.
Deneysel tesis rüzgar dalga alan özellikleri her iki sabit veya kararsız Rüzgar zorlama altında varyasyonu doğru ve çeşitli istatistiksel bilgi birikimi etkinleştirme amacı ile tasarlanmıştır. İki önemli faktörler bu ayrıntılı çalışmalar taşıyan kolaylaştırdı. İlk olarak, zaman ve mekan içinde nispeten kısa karakteristik evrim tesis sonuçlarında mütevazı boyutunu ölçekler. İkinci olarak, Bütün deneyin tamamen böylece çeşitli deneysel koşullarda deneysel çalışır performansını otomatik olarak ve hemen hemen insan müdahalesi olmadan etkinleştirme bir bilgisayar tarafından kontrol edilir. Bu deneysel set-up dalgalar diğerlerinden itici Rüzgar tarafından heyecan üzerinde deneyler yapmak çok önemli öneme sahip bulunuyor.
Kayma büyüme sabit zorlama altında Rüzgar-dalgaların tesisimizde Rüzgar hızları17bir dizi için çalışılmıştır. Sonuç olarak bitki19tarafından sunulan mil18 teorisi dayalı büyüme hızı tahminleri ile karşılaştırıldı. Karşılaştırma deneysel sonuçlar özellikle teorik Öngörüler farklı saptandı. Ek önemli parametreler de içinde elde edilen17, ortalama basınç düşüşü test bölümü, hem de mutlak değerler ve karakteristik statik basınç dalgalanmaları aşamaları gibi vardı. Hava-su arabirimi kesme stres Rüzgar ve dalgalar17,19arasında momentum ve enerji transferi karakterizasyonu için önemlidir. Bu nedenle, Logaritmik sınır tabaka ve hava akımı dalgalar çok sayıda fetches gerçekleştirilen ve Rüzgar hızları20su üstünde çalkantılı dalgalanmalar ayrıntılı. Sürtünme hız u* bu çalışmada belirlenen hava-su arayüzüne değerleri içinde tesis21ölçülen Rüzgar dalgaların boyutsuz istatistiksel parametreleri elde etmek için kullanılmıştır. Bu değerler elde etmek daha büyük deneysel teçhizatları ve sahada yapılan deneyler karşılık gelen boyutsuz parametreleri ile karşılaştırıldı. Bu gösterilmiştir daha önce21 uygun ölçeklemeyle, küçük ölçekli tesisimizde elde edilen rüzgar dalga alan önemli özellikleri önemli ölçüde karşılık gelen verilerden farklı, değil mi ki daha büyük laboratuvarda birikmiş teçhizatları ve açık deniz ölçümleri. Bu parametreler temsilcisi dalga yüksekliği ve dalga boyu, yüzey yükselmesi frekans spektrumu yanı sıra değerleri daha yüksek istatistiksel anları şeklinde kayma büyüme içerir.
Bizim tesis22,23 ‘ te yürütülen sonraki çalışmaları rüzgar dalgaları aslında rasgele ve üç boyutlu olduğunu gösterdi. 3D yapısı Rüzgar dalgaların içine daha iyi bir fikir almak için su yüzey kotu nicel zamana bağımlı ölçümleri stereo video görüntüleme22kullanarak genişletilmiş alan üzerinde gerçekleştirmek için çalışıldı. Henüz yeterince etkili değildir mevcut ve işlem algoritmaları kullanılabilir yetersiz bilgisayar gücü nedeniyle bu girişimleri sadece kısmen başarılı olduğunu kanıtladı. Ancak, geleneksel kapasite türü dalga ölçer ve LSG kombine kullanımı rüzgar dalgaları kayma yapısı üzerinde değerli bilgiler sağlar gösterilmiştir. Her iki bu araçların eşzamanlı uygulama anlık yüzey yükseklik ve anlık yüzey yamaç23iki bileşenden bağımsız ölçümleri ile yüksek zamansal çözünürlük sağlar. Bu ölçümler hem baskın frekans tahmini ve baskın dalga boyu dalgalar gibi dalga yapısı Rüzgar normal yönde içgörü sağlayarak sağlar. Dikey olarak bilgisayar kontrollü motoru ile hareket edebilir, bir kılavuz borusu sensörler kümesi tamamlar ve rüzgar hızı ölçümleri için kullanılır.
Rastgele ve three-dimensionality ölçülen parametreler için bile önemli değişkenliği dalgalar neden Rüzgar sürekli yapılan açık Rüzgar zorlayarak bu çalışmalar ve tek bir ölçme konum. Böylece, ölçümleri süre ölçekler ölçülen dalga alanının güvenilir istatistiksel miktarları ayıklamak için yeterli bilgi toplamaya ihtiyaç vardır karakteristik zaman ile orantılı ile uzun süredir devam eden. Dalga alanın mekansal varyasyon düzenleyen mekanizmalar değerli fiziksel bir anlayış kazanmak için ölçümler çeşitli yerlerde ve Rüzgar akış hızı gibi çeşitli değerler için test bölümü mümkün olduğunca gerçekleştirmek için zorunludur. Bu hedefe ulaşmak için bu nedenle otomatik deneysel bir işlem uygulamak için son derece arzu edilir.
Dalgalar kararsız Rüzgar zorlayarak heyecan üzerinde deneyler ek bir karmaşıklık düzeyi tanıtmak. Bu tür çalışmalarda, Rüzgar hızı anlık seviyeye anlık ölçülen parametreler ilişkilendirmek için zorunludur. Dalgalar üzerinde deneyler heyecanlı bir neredeyse itici Rüzgar önemli örnek olarak zorlama tarafından diğer göz önünde bulundurun. Bu durumda, çok sayıda bağımsız ölçüleri aynı reçete desen24takip zaman içinde değişir Rüzgar eylem altında gelişen rüzgar dalga alanının ihtiyaç vardır. Hava akımı, başlatılması beri geçen zaman bir fonksiyonu olarak ifade anlamlı istatistiksel parametreleri sonra bağımsız gerçekleşmeleri birikmiş topluluğu ayıklanan veriler sayı ortalaması alınarak hesaplanır. Bu girişim onlarca ve yüzlerce saat sürekli örnekleme gerektirebilir. Deneme tam otomatik sürece deneysel seans iddialı bir görevi gerçekleştirmek için gereken toplam süresi bütün yaklaşımı olanaksız, işler. Yakın zamana kadar rüzgar dalga özellikleri gibi yok tamamen bilgisayarlı deneysel işlem geliştirilmiştir. Bu dengesiz zorlama altında Rüzgar dalgalar üzerinde güvenilir istatistiksel veri eksikliği için başlıca nedenleri arasında yer alıyor.
Tesisin deneme için kullanılan piyasada bulunan üzerinden oluşturulur değil beri kapalı donanım, burada ana parçalarının kısa bir açıklama sağlanmıştır.
Şekil 1. Şematik (değil ölçeklemek için) deney tesisi görünümünü. 1 – üfleyici; 2 – odası yerleşme giriş akımı; 3 – çıkış odası yerleşme; 4 – susturucu kutuları; 5 – test bölümü; bir 6 – plaj; 7 – ısı eşanjörü; 8 – petek; 9 – meme; 10 – wavemaker; 11 – flep; 12 – araç taşıma; 13 – step motor tarafından tahrik dalga ölçer; 14 – kılavuz bir step motor tarafından tahrik borusu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Deney tesisi bir kapalı devre Rüzgar tüneli (bir şematik Resim 1‘ de gösterilen) bir dalga tankı üzerine monte oluşur. Test bölümü 5 m uzun, 0.4 m genişliğinde ve 0,5 m derinde. Yanağında ve zemin 6 mm kalınlığında cam plakaları yapılır ve alüminyum profillerden yapılmış bir çerçeve içinde içine alınır. 40 cm uzun flep nozzle dan hava akımı kesit için su yüzeyi pürüzsüz bir genişleme sağlar. Dalga enerjisi gözenekli ambalaj malzemeden yapılmış beach emici tank ucunda yer alır. Bilgisayar kontrollü üfleyici ortalama hava akım hızı testi bölümünde 15 m/s’ye ulaşma sağlar.
Özel yapım kapasite türü 100 mm uzunluğundaki dalga ölçer anodize Tantal yapılır. 0.3 mm tel dalga ölçüm kalibrasyon için tasarlanmış bir PC kontrollü adım motor tarafından tahrik dikey bir sahnede monte edilir. Bir kılavuz borusu 3 mm çapında dinamik basınç test bölümü Merkezi hava akımı kısmında ölçmek için kullanılır.
Anlık 2D su yüzey yamaç, ölçme LSG, tank (Şekil 2) boyunca herhangi bir yerde konumlandırılmış test bölümünden müstakil bir çerçeve yüklenir. LSG dört ana bölümden oluşur: bir lazer diyot, bir Fresnel lens, diffusive bir ekran ve bir pozisyon algılama dedektörü (PSD) derleme. Lazer diyot 650 nm (kırmızı), 200 mW focusable lazer ışını çapı yaklaşık 0.5 mm ile oluşturur. 26.4 cm çapında Fresnel lens odak uzaklığı 22.86 cm ile objektif geri odak düzlemi içinde yer alan 25 x 25 cm2 diffusive ekrana gelen lazer ışını yönlendirir.
Şekil 2. Şematik lazer eğim ölçer (LSG). 1 – lazer diyot; 2 – Fresnel lens; 3 – diffusive ekran; 4 – pozisyon sensörü dedektörü (PSD). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Bu iletişim kuralı içinde çok sayıda parametreleri kararsız dalgalar karakterize aynı anda zamana bağımlı Rüzgar zorlama altında ölçülen deneyler performans sağlayan ile ilgili yordamı açıklamaktadır. Yordamı deney tesisi teknik sınırlamalar içinde görüş-in elde edilebilir zaman rüzgar hız istenen herhangi bir bağımlılığı için ayarlanabilir. Özellikle hangi her gerçekleştirilmesi, Rüzgar başlar neredeyse düşüncesizce başlangıçta sakin su üzerinde deneyler mevcut protokolünü açıklar. O zaman sürer yeterince uzun bunun için zorlama sürekli Rüzgar Rüzgar dalga alanında her yerde test bölümü yarı sabit devlet attains. Rüzgar, sonunda yine neredeyse düşüncesizce, aşağı doğru kapatın. Her aşamasında, birden çok dalga parametreler kaydedilir. Tesisimizde hesaplama çok sayıda istatistiksel temsilcisi ensemble ortalama olarak miktarlar anlık yerel rüzgar dalga alan karakterize roman ve son deneyler sırasında geliştirilmiş sağlar yordamı yürütülen 22 , 23 , 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mevcut deneysel protokol kararsız Rüzgar zorlama altında zaman ve mekan içinde geliştikçe bir dalga alanı nicel karakterizasyonu hedefleniyor. Rüzgar-dalgalar aslında rasgele ve üç boyutlu ve böylece hızlı bir şekilde zaman ve mekan içinde değişir bu yana, zamana bağımlı Rüzgar zorlama altında büyüyen bir rüzgar dalga alan bireysel gerçekleşmeleri kayıtlarının sadece yöneten nitel tahminler sağlayabilir Dalga parametreleri. Bu iletişim kuralı hedefe ulaşmak için ve istatistiksel olara…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser İsrail Bilim Vakfı tarafından desteklenen hibe # 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).
