稳定时变风强迫下风浪罐中波浪的测量

自古以来, 众所周知, 水面上的波浪被风所激发。目前对控制这一进程的物理机制的理解远非令人满意。许多试图描述风力发电的理论在过去几年中提出了^1,2,3,4, 但他们的可靠的实验验证还没有可用。在海洋中随机风浪的测量是极具挑战性的, 因为不可预知的风可能会在方向上和震级上变化得很快。实验室实验的优点是可控制的条件, 使长期和可重复的测量。

在实验室环境的恒定风强迫下, 风浪在空间中演化。几十年前在稳态强迫下进行的波浪的早期实验室实验仅限于瞬时表面高程测量^5,6,7,8。最近的研究还使用各种光学技术来测量瞬时水表面倾角, 如汉莎^9,10。这些测量允许得到一些有限的质量信息的三维结构的风波场。当风强迫是不稳定的, 因为它是在野外试验中, 引入额外的复杂性, 以风的激励问题, 因为产生的波场的统计参数不仅在空间, 但时间也不一样。到目前为止的尝试, 以定性和定量地描述波浪演变模式在时间依赖强迫下仅部份地成功了^{11,12,13,14,15,16}. 不同似然的物理机制的相对贡献可能导致激发和波浪的增长由于风作用仍然是未知数。

我们的实验设施的目的是为了能够积累准确和多样的统计信息的变化的风波场特征在稳定或不稳定的风强迫。两个主要因素有助于进行这些详细的研究。首先, 该设施的适度规模导致了相对较短的特征演化尺度的时间和空间。第二, 整个实验由计算机完全控制, 从而使实验运行在不同实验条件下的性能能够自动、实际地实现, 无需人工干预。这些特性的实验设置是非常重要的, 在进行实验的波浪兴奋从休息的冲动风。

本文研究了风波在稳定强迫下的空间生长, 为风速¹⁷。根据植物¹⁹所提出的里程¹⁸理论, 将结果与增长率估计进行了比较。对比表明, 实验结果与理论预测有显著差异。在¹⁷中还获得了其他重要参数, 例如测试部分中的平均压降, 以及特征静压波动的绝对值和相位。在空气-水界面上的剪切应力对于描述风与波浪之间的动量和能量传递是必不可少的^17,19。因此, 在大量的提取和风速下, 进行了对数边界层的详细测量, 并对水波上的湍流波动进行了分析, 结果为²⁰。本文所确定的空气-水界面的摩擦速度u_*的值用于获取在我们的设施²¹中测量到的风浪的无量纲统计参数。将这些值与大型实验装置和野外试验中获得的相应无量纲参数进行了比较。以前的²¹表明, 在适当的尺度下, 小规模设施所获得的风波场的重要特征与较大实验室积累的相应数据没有显著差异。安装和露天测量。这些参数包括具有代表性的波浪高度和波长的空间增长, 表面高程的频谱的形状, 以及较高统计矩的值。

随后在我们的设施中进行的研究^22,23表明, 风波本质上是随机的和三维的。为了更好地了解风波的3D 结构, 我们尝试使用立体视频成像²²对扩展区域的水面高程进行定量的时间依赖性测量。由于现有的计算机电源不足, 而且处理算法还不够有效, 这些尝试被证明只是部分成功。结果表明, 采用传统的电容式波规和汉莎, 可为风浪的空间结构提供有价值的信息。同时应用这两种仪器, 可以独立测量瞬时表面高程和瞬时表面斜率的两个分量的高时间分辨率²³。这些测量允许估计波浪的主导频率和主要波浪长度, 并且提供对波浪结构的洞察在正常风向的方向。一种可由计算机控制的马达垂直移动的托管管, 它补充了传感器的集合, 用于测量风速。

所有这些研究表明, 随机和三维的风波导致测量参数的显著变化, 即使在稳定的风强迫和单一测量位置。因此, 需要长时间的测量与实测波场的特征时间尺度相称, 以积累足够的信息来提取可靠的统计量。为了获得有价值的物理洞察力的机制, 控制波场的空间变化, 必须在许多地点进行测量, 并尽可能多的价值的风速尽可能在测试部分。为了实现这一目标, 最好采用自动化的实验程序。

非恒定风强迫下的波浪实验引入了一个额外的复杂程度。在这类研究中, 必须将瞬时测量参数与风速的瞬时水平联系起来。考虑以近脉冲风强迫作为一个重要例子, 从静止的波浪中激发的实验。在这种情况下, 需要许多独立的测量, 在风的作用下演变的风波场, 在不同的时间根据相同的规定模式²⁴。有意义的统计参数, 表示为自空气流动开始以来所经过的时间函数, 然后通过平均从独立认识积累的集合中提取的数据来计算。这项工作可能涉及连续抽样的十个和上百个小时。完成这样一项雄心勃勃的任务所需的实验课程总持续时间, 除非实验完全自动化, 否则整个方法是行不通的。直到最近, 在风浪设施中没有这样的完全计算机化的实验程序。这是在非恒定强迫下缺乏可靠的风浪统计数据的主要原因之一。

由于该实验所用的设施不是从商用的现成硬件构造的, 所以这里提供了其主要部件的简要描述。

图1。示意图 (不缩放) 实验设施的视图.1-鼓风机;2流入沉降室;3-流出沉降室;4-消音器盒;5试验段;6滩;7-换热器;8蜂窝;9喷嘴;10-板式;11瓣;12-仪器运输;13波计由步进电机驱动;14-由步进电机驱动的托管管。请单击此处查看此图的较大版本.

实验设施包括一个封闭环风洞安装在一个波坦克 (示意图视图显示在图 1)。测试部分为5米长, 0.4 米宽, 0.5 米深。壁和地板由6毫米厚的玻璃板组成, 并被封闭在一个由铝型材制成的框架内。一个40厘米长的襟翼提供平滑的扩展气流剖面从喷嘴到水面。波浪能吸收的海滩由多孔的包装材料制成位于坦克的末端。计算机控制的鼓风机允许在测试区段达到平均气流速度在15米/秒。

该定制电容式100毫米长波测量仪由阳极氧化钽制成。0.3 毫米线安装在一个垂直的阶段, 由 PC 控制的步进电机驱动, 为波规校准设计。一个直径为3毫米的托管管, 用于测量测试部分中央气流部分的动态压力。

测量瞬时2D 水表面斜率的汉莎安装在与测试部分分离的框架上, 可以定位在罐体上的任意位置 (图 2)。汉莎由四主要部分组成: 激光二极管、菲涅尔透镜、扩散屏和位置传感探测器 (PSD) 组件。激光二极管产生 650 nm (红色), 200 兆瓦可获得焦点激光束直径约0.5 毫米。26.4 厘米直径的菲涅尔透镜, 焦距为22.86 厘米, 将传入的激光光束定向到位于透镜后焦平面上的 25 x 25 厘米²扩散屏幕。

图2。激光斜率计 (汉莎) 的示意图.1-激光二极管;2-菲涅尔透镜;3-扩散屏幕;4位传感器检测器 (PSD)。请单击此处查看此图的较大版本.

该协议描述了允许执行实验的过程, 在这种情况下, 在时间依赖的风力强迫下, 测量非恒定波的许多参数。考虑到实验设施的技术局限性, 可以根据所需风速的时间来调整程序。本议定书具体描述了在每一个实现中, 风开始几乎在最初平静的水的冲动的实验。稳定的风强迫, 然后持续足够长的风波场在测试段各处达到准稳态状态。风最后被关闭, 再几乎冲动。在各个阶段, 记录了多个波形参数。该程序允许计算出许多统计代表性的集合-平均数量表征瞬时局部风波场是新颖的, 并在最近在我们的设施进行的实验过程中发展^22,23,24。