Mediciones de las ondas en un tanque de ondas de viento con viento constante y varían con el tiempo obligando a

Desde la antigüedad, ha sido bien sabido que las ondas en las superficies de agua se excitan por el viento. La comprensión actual de los mecanismos físicos que gobiernan este proceso está lejos de ser satisfactoria. Numerosas teorías que intentan describir la generación de olas de viento se han propuesto sobre los años^1,2,3,4, sin embargo su validación experimental confiable aún no está disponible. Mediciones de viento al azar-olas en el océano son extremadamente difíciles debido al viento impredecible que puede variar rápidamente en la dirección, así como en magnitud. Experimentos de laboratorio tienen la ventaja de condiciones controlables que permiten realizar mediciones prolongadas y repetitivas.

Bajo constante viento forzando en el entorno de laboratorio, viento-olas de evolucionan en el espacio. Primeros experimentos de laboratorio sobre ondas bajo constante obligando a cabo hace décadas fueron limitados a elevación instantánea de la superficie medidas^5,6,7,8. Estudios más recientes también emplean varias técnicas ópticas para medir el ángulo de inclinación superficial de agua, como LSG^9,10. Las medidas permiten conseguir algunos limitada información cualitativa sobre la estructura tridimensional de los campos de onda de viento. Cuando obligando al viento es inestable, como en experimentos de campo, complejidad adicional se introduce al problema de la excitación de ondas del agua por el viento, ya que los parámetros estadísticos del campo de la onda resultante varían no sólo en espacio sino en el tiempo así. Los intentos realizados hasta ahora para describir patrones de wave de evolución cualitativa y cuantitativamente bajo forzamiento dependiente del tiempo eran solamente parcialmente acertados^{11,12,13,14 , 15 , 16}. la contribución relativa de diferentes mecanismos físicos plausibles que puede conducir a excitación y crecimiento de las olas debido a la acción del viento sigue siendo en gran parte desconocidos.

Nuestro centro experimental fue diseñado con el fin de permitir la acumulación de la información estadística precisa y diversa sobre la variación de características del campo de onda de viento bajo ya sea estable o inestable viento obliga a. Dos grandes factores facilitaron llevar a cabo estos estudios detallados. En primer lugar, el tamaño modesto de los resultados de la instalación en relativamente corta evolución característica escala en tiempo y espacio. En segundo lugar, el experimento completo es controlado completamente por un computador, permitiendo la realización de carreras experimentales en diferentes condiciones experimentales automáticamente y prácticamente sin intervención humana. Estas características de la instalación experimental son de crucial importancia en la realización de experimentos sobre ondas emocionadas resto viento impulsivo.

Crecimiento espacial de viento-olas bajo forzando constante ha sido estudiado en nuestras instalaciones para una amplia gama de velocidades de viento¹⁷. Resultados fueron comparados con las estimaciones de la tasa de crecimiento basadas en la teoría de¹⁸ Miles presentada por planta¹⁹. La comparación reveló que los resultados experimentales difieren notablemente de las predicciones teóricas. Parámetros importantes adicionales también fueron obtenidos en¹⁷, como la caída de la presión media en la sección de prueba, así como las fases de las fluctuaciones de la presión estática característica y valores absolutos. El esfuerzo cortante en la interfase aire-agua es esencial para la caracterización de la transferencia de momentum y energía entre el viento y las olas^17,19. Por lo tanto, medidas de la capa límite logarítmica y de las fluctuaciones turbulentas en el flujo de aire sobre el agua las olas se realizaron en numerosos alcances y viento velocidades²⁰detalladas. Los valores de la fricción velocidad u_* en la interfase aire-agua determinada en este estudio se utilizaron para obtener parámetros estadísticos sin dimensiones de las olas de viento medidos en la planta²¹. Estos valores se compararon con los parámetros adimensionales correspondientes obtenidos en grandes instalaciones experimentales y experimentos de campo. Se demostró anteriormente²¹ que con escala adecuada, las características importantes del campo de onda de viento obtenidos en nuestras instalaciones en pequeña escala no difieren significativamente de los correspondientes datos acumulados en el laboratorio más grande instalaciones y mediciones de mar abierto. Estos parámetros incluyen el crecimiento espacial de la altura representativa de ola y la longitud de onda, la forma del espectro de frecuencia de la elevación de la superficie, así como los valores de los momentos estadísticos superiores.

Los estudios posteriores realizados en nuestro centro,^22,23 demostraron que las ondas de viento son esencialmente al azar y tridimensional. Para obtener una mejor penetración en la estructura 3D de las olas de viento, se intentó realizar mediciones cuantitativas dependientes del tiempo de elevación de superficie de agua sobre un área extendido usando proyección de imagen video stereo²². Debido a la potencia de los ordenadores inadecuada en algoritmos de procesamiento y presente que todavía no son lo suficientemente eficaces, estos intentos resultaron para ser solamente parcialmente acertados. Sin embargo, se demostró que el uso combinado de un medidor de onda convencional de tipo de capacitancia y la LSG ofrece valiosa información sobre la estructura espacial de las ondas de viento. Aplicación simultánea de ambos instrumentos permite mediciones independientes con alta resolución temporal de la elevación instantánea de la superficie y de los dos componentes de la pendiente superficial instantánea²³. Estas medidas permiten la estimación de la frecuencia dominante y longitud de onda dominante de las olas, así como proporcionar la penetración en la estructura de onda en la dirección normal al viento. Un tubo de pitot, que se puede mover verticalmente por un motor controlado por ordenador, complementa el conjunto de sensores y se utiliza para mediciones de velocidad del viento.

Todos esos estudios dejó claro que la aleatoriedad y la tridimensionalidad del viento olas causar variabilidad significativa de los parámetros medidos para constante viento obligando a y una sola ubicación de medición. Prolongada por lo tanto, las mediciones con una duración acorde con el tiempo característico de escalas del campo de onda medida son necesarios para acumular suficiente información para extraer cantidades estadísticas confiables. Para obtener unos valiosos conocimientos físicos los mecanismos que regulan la variación espacial del campo de la onda, es imperativo llevar a cabo mediciones en numerosos lugares y de tantos valores de la tasa de flujo de viento como sea posible en la sección de prueba. Para lograr este objetivo, así es muy conveniente aplicar un procedimiento experimental automatizado.

Experimentos sobre ondas excitados por viento inestable obliga a introducen un nivel adicional de complejidad. En estos estudios, es imprescindible relacionar los parámetros medidos instantáneos hasta el nivel instantáneo de la velocidad del viento. Examinar experimentos sobre ondas emocionado resto Forzando un viento casi impulsivo como un ejemplo importante. En este caso, se necesitan mediciones independientes numerosas de viento-agitan el campo evoluciona bajo la acción del viento, que varía en el tiempo siguiendo el mismo patrón prescrito²⁴. Parámetros estadísticos significativos, expresados como una función del tiempo transcurrido desde la iniciación del flujo de aire, entonces se calculan promediando los datos extraídos del conjunto acumulado de realizaciones independientes. Este emprendimiento puede implicar decenas y cientos de horas de muestreo continuo. La duración total de las sesiones experimentales necesarias para llevar a cabo una tarea tan ambiciosa representa el enfoque todo inviable, a menos que el experimento está totalmente automatizado. Tal procedimiento experimental no completamente automatizado en las instalaciones de la onda de viento se ha desarrollado hasta hace poco. Se encuentra entre las principales razones de la falta de datos estadísticos fiables sobre las olas de viento bajo forzando inestable.

Puesto que no se construye la instalación utilizada para el experimento de comercialmente disponibles, estándar, una breve descripción de sus partes principales se suministra aquí.

Figura 1. Esquema (no a escala) vista de la instalación experimental. 1 – ventilador; 2 – entrada colocar cámara; 3 – salida colocar cámara; 4 – cajas silenciador; 5 – sección prueba; con un 6 – playa; 7 – intercambiador de calor; 8 – panal; 9 – boquilla; 10 – wavemaker; 11 – aleta; 12 – transporte instrumento; 13 – calibre onda impulsado por un motor paso a paso; 14 – tubo de Pitot impulsado por un motor paso a paso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La instalación experimental consiste en un túnel de viento de circuito cerrado montado sobre un tanque de la onda (se muestra una vista esquemática en la figura 1). La sección de prueba tiene una profundidad de 5 m de largo, 0,4 m de ancho y 0,5 m. Las paredes laterales y piso son de placas de cristal de 6 mm y están encerrados dentro de un marco de perfiles de aluminio. Una aleta larga 40 cm proporciona una extensión suave de la sección transversal de flujo de aire de la boquilla a la superficie del agua. Playa de material de empaque porosos que absorben energía de la onda se encuentra en el extremo del tanque. Un ventilador controlado por ordenador permite alcanzar la velocidad de flujo de aire promedio en la sección de prueba de hasta 15 m/s.

El indicador de 100 mm de longitud onda tipo capacitancia por encargo hace de tantalio anodizado. alambre de 0,3 mm se monta en un escenario vertical accionado por un motor de paso controlado por PC, diseñado para la calibración del medidor de onda. Un tubo de Pitot con un diámetro de 3 mm se utiliza para medir la presión dinámica en la parte central del flujo de aire de la sección de prueba.

El LSG, medir la pendiente de superficie de agua 2D, se instala en un marco separado de la sección de prueba que puede colocarse en cualquier lugar a lo largo del tanque (figura 2). LSG consta de cuatro partes principales: un diodo láser, una lente de Fresnel, una pantalla difusora y un conjunto Detector de detección de posición (PSD). El diodo láser genera una 650 nm (rojo), 200 mW enfocable láser con unos 0,5 mm de diámetro. El diámetro de 26,4 cm Fresnel lente con longitud focal de 22,86 cm dirige el rayo láser entrante a la pantalla difusora de 25 x 25 cm² , situado en el plano focal detrás de la lente.

Figura 2. Vista esquemática de la medidor láser de pendiente (LSG). 1 – láser diodo; 2 – lente de Fresnel; 3 – pantalla difusivo; 4 – posición Sensor Detector (PSD). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Este protocolo describe el procedimiento que permite la realización de experimentos en los que numerosos parámetros que caracterizan las ondas inestables se miden simultáneamente bajo forzamiento dependiente del tiempo viento. El procedimiento se puede ajustar a cualquier dependencia deseada de la velocidad del viento en el momento en que se puede lograr teniendo en cuenta las limitaciones técnicas de la instalación experimental. El presente Protocolo describe específicamente los experimentos en los que en cada realización, viento comienza casi impulsivamente sobre aguas tranquilas al principio. El viento constante, forzando entonces dura para bastante tiempo el campo de la onda de viento por todas partes en la sección de prueba logra estado cuasi-estable. El viento finalmente se cierra, otra vez casi impulsivamente. En todas las etapas, se registran varios parámetros de la onda. El procedimiento que permite el cálculo de numerosas cantidades estadísticamente representativas promedio conjunto caracterizar el campo de la onda de viento local instantáneo es novela y fue desarrollado en el curso de experimentos recientes realizados en nuestras instalaciones ^{22 , 23 , 24}.