قياسات الموجات في خزان موجه رياح تحت إجبار الرياح مطرد واختلاف الوقت

منذ العصور القديمة، كان من المعروف جيدا أن موجات على سطوح المياه متحمسون بالرياح. الفهم الحالي للآليات المادية التي تحكم هذه العملية ليست مرضية على الإطلاق. واقترح العديد من النظريات التي تحاول وصف الجيل موجه الرياح على مر السنوات^1،2،،من³⁴، لكن لم يتوفر بعد التحقق من صحة تجريبية يمكن الاعتماد عليها. قياسات لامواج الرياح العشوائية في المحيط صعبة للغاية بسبب الرياح لا يمكن التنبؤ بها قد تختلف بسرعة في الاتجاه، وكذلك كما هو الحال في الحجم. التجارب المختبرية تتميز بالسيطرة عليها بالظروف التي تمكن القياسات طويلة وقابلة للتكرار.

تحت الرياح مطرد مما اضطر في بيئة المختبر، تتطور أمواج الرياح في الفضاء. أوائل التجارب المختبرية على موجات تحت إجبار ثابت يقوم منذ عقود كانت تقتصر على ارتفاع سطح لحظية القياسات^5،6،،من⁷⁸. مزيد من الدراسات الأخيرة كما استخدمت تقنيات بصرية مختلفة لقياس زاوية ميل سطح الماء الفوري، مثل LSG^9،10. تلك القياسات يسمح بالحصول على بعض معلومات النوعية على هيكل ثلاثي الأبعاد من حقول موجه الرياح محدودة. تعقيد إضافي عندما أجبر الرياح غير مستقرة، كما الحال في التجارب الميدانية، عرض لمشكلة الإثارة موجات الماء بالرياح، حيث تتنوع المعلمات الإحصائية الحقل الموجه الناتجة ليس فقط في الفضاء ولكن في الوقت المناسب، وكذلك. كانت المحاولات المبذولة حتى الآن لوصف موجه تطور أنماط كمياً ونوعيا تحت إجبار تعتمد على الوقت إلا نجاحا جزئيا^11،12،،من^{1314 , 15 , 16}-المساهمة النسبية لمختلف الآليات المادية المعقولة التي قد تؤدي إلى الإثارة والنمو من الأمواج بسبب الرياح العمل ما زالت مجهولة إلى حد كبير.

لدينا مرفق تجريبي صمم بغية تمكين تراكم المعلومات الإحصائية الدقيقة والمتنوعة على اختلاف خصائص الحقل موجه الرياح تحت أما إجبار الرياح ثابتة أو متقلب. عاملان رئيسيان تيسير الاضطلاع بهذه الدراسات التفصيلية. أولاً، جداول إلى الحجم المتواضع لنتائج مرفق في تطور مميزة قصيرة نسبيا في الزمان والمكان. وثانيا، التجربة كلها تماما يسيطر عليه كمبيوتر، مما يتيح أداء عمليات التشغيل التجريبي في ظروف تجريبية مختلفة تلقائياً وعملياً دون تدخل الإنسان. هذه الميزات لطريقة إعداد تجريبية تتسم بأهمية حاسمة في إجراء تجارب على موجات متحمس من بقية الرياح متهورة.

ودرست النمو المكانية لامواج الرياح تحت إجبار المطرد في منشآتنا لمجموعة من سرعات الرياح¹⁷. وقورنت النتائج مع تقديرات معدل النمو استناداً إلى نظرية¹⁸ ميلا كما قدمها المصنع¹⁹. وكشفت المقارنة أن تختلف النتائج التجريبية لا سيما من التنبؤات النظرية. وكانت معلمات إضافية هامة أيضا التي تم الحصول عليها في¹⁷، مثل انخفاض الضغط يعني في المقطع “اختبار”، فضلا عن القيم المطلقة ومراحل التقلبات في ضغط ثابت مميزة. إجهاد القص في واجهة الهواء والماء ضروري لتوصيف لنقل الطاقة والزخم بين الرياح والأمواج^،من¹⁷¹⁹. لذلك، مفصلة قياسات طبقة الحدود لوغاريتمية والتقلبات المضطربة في تدفق الهواء فوق الماء موجات أجريت في fetches العديدة وريح سرعات²⁰. قيم الاحتكاك السرعة يو_* في واجهة الهواء والماء في هذه الدراسة استخدمت للحصول على المعلمات الإحصائية هو من أمواج الرياح المقاسة في مرفق لدينا²¹. وقورنت هذه القيم مع المعلمات هو المقابلة التي تم الحصول عليها في أكبر المنشآت التجريبية والتجارب الميدانية. قد تجلى سابقا²¹ أنه مع التوسع السليم، الخصائص الهامة للحقل موجه الرياح التي تم الحصول عليها في منشآتنا الصغيرة لا تختلف كثيرا عن البيانات المناظرة المتراكمة في أكبر مختبر المنشآت وقياسات البحار المفتوحة. وتشمل هذه المعلمات النمو المكانية من ارتفاع الأمواج الممثل وطول الموجه، على شكل طيف الترددات السطحي من الارتفاع، فضلا عن قيم أعلى لحظات الإحصائية.

وأظهرت الدراسات اللاحقة التي أجريت في^22،مرفق لدينا²³ أن موجات الرياح أساسا عشوائية وثلاثي الأبعاد. للحصول على رؤية أفضل لهيكل ثلاثي الأبعاد لامواج الرياح، جرت محاولة لإجراء القياسات تعتمد على الوقت كمية المياه السطحية من الارتفاع على مساحة ممتدة باستخدام التصوير الفيديو ستيريو²². نظراً لقوة جهاز الكمبيوتر غير كافية متوفرة في خوارزميات الحالية والمعالجة التي ليست فعالة بما فيه الكفاية حتى الآن، أثبتت هذه المحاولات أن تكون إلا نجاحا جزئيا. بيد أنه اتضح أن الجمع بين استخدام مقياس موجه تقليدية من نوع سعة وفي LSG يوفر معلومات قيمة عن الهيكل المكاني لامواج الرياح. يتيح التطبيق المتزامن لكلا هذين الصكين قياسات مستقلة مع عالية الدقة الزمنية من ارتفاع سطح لحظية والعنصرين من منحدر السطح لحظية²³. تسمح هذه القياسات تقدير تواتر المهيمنة وطول الموجه الغالبة من الأمواج، فضلا عن توفير نظرة ثاقبة هيكل موجه في الاتجاه العادي للريح. أنبوب بيتو، التي يمكن نقلها عمودياً بمحرك الكمبيوتر التي تسيطر عليها، ويكمل المجموعة من أجهزة الاستشعار ويستخدم لقياس سرعة الرياح.

كل تلك الدراسات التي جعلت من الواضح أن ثابت العشوائية وثريديمينسيوناليتي من الرياح الأمواج يؤدي إلى تقلب كبير من المعلمات يقاس حتى بالنسبة للرياح مما اضطر وموقع قياس واحد. وهكذا، لفترة طويلة القياسات مع المدة بما يتناسب مع الوقت مميزة وتلزم جداول الحقل الموجه المقاسة على تجميع معلومات كافية لاستخراج كميات إحصائية موثوق بها. للحصول على قيمة أعمق الآليات التي تحكم التباين المكاني للحقل الموجه المادية، من الضروري إجراء قياسات في العديد من المواقع والعديد من القيم لمعدل تدفق الرياح قدر الإمكان في المقطع اختبار. ولتحقيق هذا الهدف، وبالتالي أنها مرغوب فيه للغاية لتطبيق إجراء تجريبي الآلي.

تجارب على موجات متحمس بإجبار متقلب الرياح إدخال مستوى إضافيا من التعقيد. في مثل هذه الدراسات، يتحتم لربط المعلمات قياس لحظية إلى المستوى لحظية لسرعة الرياح. النظر في تجارب على موجات متحمس من بقية بالريح مندفعة نحو إجبار كمثال هام. في هذه الحالة، هناك حاجة إلى العديد من القياسات المستقلة حقل الرياح-موجه تطور إطار عمل الرياح التي تختلف في وقت باتباع نفس النمط المحدد²⁴. ثم تحسب المعلمات الإحصائية ذات مغزى، كدالة للزمن المنقضي منذ بدء تدفق الهواء، وأعرب عن طريق حساب متوسط البيانات المستخرجة من فرقة المتراكمة من تحقيقات مستقلة. قد يشمل هذا التعهد عشرات ومئات الساعات من أخذ العينات المستمر. المدة الإجمالية للدورات التجريبية اللازمة لإنجاز مثل هذه مهمة طموحة يجعل النهج كله غير مجد، ما لم تكن هذه التجربة هي مؤتمتة بالكامل. وقد وضعت لا الإجراء التجريبي محوسب تماما في مرافق موجه الرياح حتى وقت قريب. وهذا من بين الأسباب الرئيسية لعدم وجود بيانات إحصائية موثوقة عن موجات الرياح تحت إجبار متقلب.

إذ لا يتكون المرفق المستخدمة للتجربة من المتاحة تجارياً، الأجهزة الجاهزة، وصفاً مختصراً لأجزائه الرئيسية يتم توفيرها هنا.

رقم 1. التخطيطي (عدم تحجيم) عرض مرفق تجريبي- 1-منفاخ؛ 2-تدفق تسوية الدائرة؛ 3-تدفق تسوية الدائرة؛ 4-كاتم الصوت مربعات؛ 5-اختبار القسم؛ 6-الشاطئ؛ 7-مبادل حراري؛ 8-العسل؛ 9-الفوهة؛ 10-وافيماكير؛ 11-رفرف؛ 12-أداة النقل؛ 13-موجه قياس يقودها السائر محرك؛ 14-أنبوب بيتو يقودها السائر محرك. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

مرفق تجريبي يتكون من نفق الرياح الحلقة المغلقة التي شنت على دبابة موجه (طريقة عرض تخطيطي هو مبين في الشكل 1). مقطع الاختبار 5 أمتار طويلة 0.4 متر و 0.5 م عميقة. سيديوالس والكلمة مصنوعة من ألواح الزجاج السميك 6 مم وهي محاطة ضمن إطار مصنوع من الألومنيوم. ويوفر رفرف طويل 40 سم توسع سلس للمقطع العرضي تدفق الهواء من الفوهة على سطح الماء. طاقة الأمواج استيعاب الشاطئ مصنوعة من مواد التعبئة مسامية يقع في نهاية بكثير من الدبابات. منفاخ تسيطر عليها الكمبيوتر يتيح بلوغ سرعة تدفق الهواء يعني في المقطع اختبار ما يصل إلى 15 m/s.

قياس 100 مم طوله موجه خصيصا من نوع السعة مصنوع من التنتالوم المؤكسد. شنت سلك 0.3 مم على مرحلة رأسي مدفوعا بمحرك خطوة تسيطر عليها الكمبيوتر المصممة لمعايرة قياس الموجه. ويستخدم أنبوب بيتو يبلغ قطرها 3 مم لقياس الضغط الديناميكي في الجزء المركزي تدفق الهواء من مقطع الاختبار.

LSG، قياس المياه 2D لحظية السطح المنحدر، مثبت على إطار منفصل عن قسم الاختبار التي يمكن وضعها في أي مكان على طول الخزان (الشكل 2). LSG يتكون من أربعة أجزاء رئيسية: ليزر الصمام ثنائي، عدسة فريسنل، شاشة انتشارية، وجمعية كاشف الاستشعار عن موقف (PSD). صمام ثنائي ليزر يولد 650 نانومتر (أحمر)، 200 ميغاواط مركز شعاع ليزر مع قطرها حوالي 0.5 مم. قطر 26.4 سم فريسنل العدسة مع البعد البؤري 22.86 سم يوجه شعاع الليزر الواردة إلى الشاشة انتشارية 25 x 25 سم² الموجود في الخلف البؤري للعدسة.

رقم 2. عرض تخطيطي لقياس الانحدار الليزر (LSG)- 1-ليزر أشباه الموصلات؛ 2-عدسة فريسنل؛ 3-انتشارية الشاشة؛ 4-موقف الاستشعار كاشف (PSD). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

ويصف هذا البروتوكول الإجراء الذي يتيح إجراء التجارب التي تقاس معلمات عديدة تميز موجات متقلب في وقت واحد تحت إجبار الرياح تعتمد على الوقت. يمكن تعديل الإجراء لأي الاعتماد المطلوب لسرعة الرياح في الوقت الذي يمكن أن يتحقق نظراً للقيود التقنية مرفق تجريبي. ويصف هذا البروتوكول تحديداً تجارب فيها في كل أعمال، يبدأ الرياح تقريبا تهور على مياه هادئة في البداية. الرياح مطرد مما اضطر ثم يستمر لفترة طويلة يكفي أن يبلغ مجال موجه الرياح في كل مكان في المقطع اختبار الدولة شبه ثابتة. الريح في نهاية المطاف هو إيقاف تشغيل لأسفل، مرة أخرى تقريبا تهور. وتسجل في جميع المراحل، موجه معلمات متعددة. الإجراء الذي يسمح لحساب كميات بلغ فرقة تمثيلية من الناحية الإحصائية العديد تميز ميدان الرياح المحلية لحظية-موجه الرواية، وقد وضعت خلال التجارب الأخيرة التي أجريت في منشآتنا ^{22 , 23 , 24}.