Målinger av bølger i vind-basseng Under jevn og tid-varierende tvinge

Siden oldtiden, har det vært kjent at bølger på vannforhold er begeistret av vind. Den nåværende forståelsen av fysiske mekanismer som styrer denne prosessen er langt fra tilfredsstillende. Mange teorier forsøk på å beskrive havbølger generasjon ble foreslått over år^1,2,3,4, men deres pålitelige eksperimentelle validering ikke er ennå tilgjengelig. Målinger av tilfeldige vind-bølger i havet er ekstremt utfordrende på grunn av uforutsigbare vinden som kan variere raskt i retning også i omfanget. Laboratorieforsøk har fordelen av kontrollerbar at langvarig og repeterbare målinger.

Under jevn vind tvinge i laboratoriemiljø, vind-bølger utvikle seg i rommet. Tidlig laboratorieforsøk bølger under jevn tvinge var utført tiår siden begrenset til øyeblikkelig høyde målinger^5,6,7,8. Nyere studier også ansatt ulike optisk teknikker å måle øyeblikkelig vann overflaten bøyningsvinkelen, for eksempel LSG^9,10. De målingene tillatt å få noen begrenset kvalitativ informasjon om den tredimensjonale strukturen havbølger felt. Når vinden tvinge er ustabil, som i felteksperimenter, er kompleksitet introdusert til problemet med vann bølger magnetisering av vind, siden de statistiske parameterne på resulterende bølgen feltet variere ikke bare i rommet, men i tiden også. Forsøk gjort så langt å beskrive utviklingen bølgemønstre kvalitativt og kvantitativt under tidsavhengige tvinge var bare delvis vellykket^{11,12,13,14 , 15 , 16}. ulike plausibel fysiske mekanismer som kan føre til eksitasjon relative bidrag og vekst av bølger på grunn av vinden handling forblir hovedsakelig ukjent.

Våre Eksperimentsenter ble designet for å aktivere akkumulering av nøyaktig og mangfoldig statistisk informasjon om variasjonen av havbølger feltet egenskaper under enten stabil eller unsteady vind tvinge. To viktige faktorer tilrettelagt gjennomføre disse detaljerte studier. Først skalerer den beskjedne størrelsen på anlegget resultatene i relativt kort karakteristiske utviklingen i tid og rom. Andre er hele eksperimentet fullstendig kontrollert av en datamaskin, og dermed muliggjør ytelsen til eksperimentelle kjører under forskjellige eksperimentelle forhold automatisk og praktisk talt uten menneskelig inngripen. Disse funksjonene i den eksperimentelle set-up er av avgjørende betydning i å utføre eksperimenter på bølgene opphisset resten av impulsive vind.

Romlig veksten av vind-bølger under jevn tvinge har vært studert i våre anlegg for en rekke vind fart¹⁷. Resultatene ble sammenlignet med veksten rate anslag basert på teorien om¹⁸ Miles som presenteres av anlegget¹⁹. Sammenligningen avslørt at eksperimentelle resultatene avvike fra den teoretiske spådommer. Flere viktige parametere var også innhentet i¹⁷, som betyr trykkfall i delen test som absolutte verdier og faser av karakteristiske statisk trykk svingninger. Skjær stress i luft-vann-grensesnittet er viktig for karakteristikk av fart og energi overføring mellom bølger og vind^17,19. Derfor detaljerte målinger av den logaritmiske grenselag og turbulente svingninger i luftstrømmen over vannet bølger ble utført på mange henter og vind fart²⁰. Verdiene av friksjon hastighet u_* i luft-vann-grensesnittet i denne studien ble brukt til å få dimensjonsløs statistiske parameterne av vind-bølger målt i våre anlegg²¹. Disse verdiene ble sammenlignet med tilsvarende dimensjonsløs parametere innhentet i større eksperimentelle installasjoner og felteksperimenter. Det ble vist tidligere²¹ at med riktig skalering, de viktige egenskapene i feltet havbølger innhentet i vårt lille anlegg ikke avviker betydelig fra tilsvarende data samlet i større laboratorium installasjoner og åpent hav målinger. Disse parametrene omfatter romlige vekst av representant bølgehøyde og bølgelengde, form av frekvensspekteret overflaten høyden, i tillegg til verdiene for høyere statistiske øyeblikk.

De etterfølgende studiene utført i våre anlegg^22,23 viste at vinden bølger er egentlig tilfeldig og tredimensjonale. For å få et bedre innblikk i 3D strukturen av vinden bølger, forsøkte å utføre kvantitativ tidsavhengige målinger av vann høyde over et utvidet område med stereo video tenkelig²². På grunn av utilstrekkelig datamaskinen strøm tilgjengelig på nåværende og bearbeiding algoritmer som ikke ennå er tilstrekkelig effektiv, disse forsøkene viste seg for å være bare delvis vellykket. Imidlertid ble det vist at kombinert bruk av en konvensjonell kapasitans-type bølge måler og LSG gir verdifull informasjon om romlige strukturen av vinden bølger. Samtidig anvendelse av begge disse instrumentene kan uavhengige målinger med timelige høyoppløselig øyeblikkelig overflaten høyden og de to komponentene øyeblikkelig overflaten skråningen²³. Disse målingene tillate estimering av både dominerende frekvensen og dominerende bølgelengde av bølgene, samt gi innsikt i bølge strukturen i retning vanlige vinden. En pitot rør, som kan flyttes loddrett av en datastyrt motor, utfyller settet med sensorer og brukes for målinger av vind.

Alle disse studiene gjort klart at tilfeldigheten og three-dimensionality vind bølger medføre betydelig variasjon av de målte parametrene for jevn vind tvinge og en enkelt måling plassering. Dermed langvarig målinger med varighet samsvar med karakteristiske tid skalaer i feltet målt bølge er nødvendig å samle tilstrekkelig informasjon for å trekke ut pålitelig statistiske mengder. For å få verdifull fysiske innsikt i mekanismene som styrer romlige variant av feltet bølge, er det viktig å utføre målinger for så mange verdier av vinden flow rate og mange steder som mulig i delen test. For å oppnå dette målet, er det derfor svært ønskelig å bruke en automatisert eksperimentelle prosedyren.

Eksperimenter på bølgene opphisset av ustø vind tvinge introdusere et ekstra nivå av kompleksitet. I slike studier er det viktig å forholde seg øyeblikkelig målte parametrene til øyeblikkelig nivået av vindhastigheten. Vurdere eksperimenter på bølgene glade for resten av en nesten impulsiv vind tvinge viktige eksempel. I dette tilfellet er mange uavhengige målinger nødvendig i feltet havbølger utvikling under handlingen av vind som varierer fra tid etter de samme foreskrevne mønster²⁴. Meningsfulle statistiske parameterne, uttrykt som en funksjon av tid som er gått siden oppstart av luftstrømmen, beregnes deretter ved å beregne data Hentet fra den akkumulerte ensemblet av uavhengige erkjennelser. Dette prosjektet kan innebære tiere og hundrevis av timer med kontinuerlig prøvetaking. Den totale varigheten av eksperimentelle økter som kreves for å utføre slike en ambisiøs oppgave viser hele tilnærming unfeasible, med mindre eksperimentet er helautomatisk. Ingen slike fullt datastyrt eksperimentelle prosedyren i havbølger fasiliteter er utviklet inntil nylig. Det er blant de viktigste årsakene til mangelen på pålitelige statistiske data om vind bølger under ustø tvinge.

Siden anlegget brukes for eksperimentet ikke er laget av kommersielt tilgjengelig, sokkel maskinvare, en kort beskrivelse av hoveddelene er gitt her.

Figur 1. Skjematisk (for ikke å skalere) visning av Eksperimentsenter. 1 – blåser; 2 – tilsig settling kammer; 3 – utløp settling kammer; 4 – lyddemper feltene. 5 – test-delen. med en 6 – stranden; 7 – varmeveksler; 8 – honeycomb; 9 – munnstykke; 10 – wavemaker; 11 – klaff; 12 – instrument vogn; 13 – bølge gauge drevet av en stepper motor; 14 – Pitot rør drevet av en stepper motor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Eksperimentell anlegget består av en lukket sløyfe vindtunnel montert med basseng (en skjematisk visning er vist i figur 1). Delen test er 5 m lang, 0.4 m bred og 0,5 m dyp. Dekksider og gulvet er laget av 6 mm tykk glassplater og plasseres i en ramme laget av aluminium profiler. En 40 cm lang klaff gir en jevn utvidelse av luftstrømmen tverrsnittet fra munnstykket til vannoverflaten. Bølgekraft absorbere stranden laget av porøse emballasje ligger ved enden av tanken. En datastyrt blåser kan oppnå mener air flyten hastighet i delen test opptil 15 m/s.

Skreddersydd kapasitans-type 100 mm lange bølge måleren er laget av anodisert Tantal. 0,3 mm wire er montert på en loddrett scene drevet av en PC-styrt trinn motor designet for bølge gauge kalibrering. En Pitot rør med en diameter på 3 mm brukes for å måle dynamisk trykket i delen sentrale luftstrømmen i delen test.

LSG, måle øyeblikkelig 2D vann overflaten skråningen, er installert på en ramme løsrevet fra delen test som kan plasseres på ethvert sted langs tanken (figur 2). LSG består av fire hoveddeler: en laserdiode, en Fresnel-linse, en diffusive skjerm og en posisjon Sensing detektor (PSD)-samling. Laserdiode genererer en 650 nm (rød), 200 mW focusable laserstråle med diameter på ca 0,5 mm. 26.4 cm diameter Fresnel-linse med brennvidde på 22.86 cm dirigerer innkommende laserstrålen til 25 x 25 cm² diffusive skjermen i tilbake fokalplanet av linsen.

Figur 2. Skjematisk visning av Laser skråningen Gauge (LSG). 1 – laserdiode; 2 – Fresnel-linse; 3 – diffusive skjermen. 4 – posisjon Sensor detektor (PSD). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Denne protokollen beskriver fremgangsmåten som kan utføre eksperimenter som mange parametre som karakteriserer ustø bølger måles samtidig under tidsavhengige vind tvinge. Prosedyren kan tilpasses alle ønsket avhengighet av vind på tid som kan oppnås i lys av de tekniske begrensningene av eksperimentelle. Nåværende protokollen beskriver spesifikt eksperimenter der hver realisering, vind starter nesten impulsivt over utgangspunktet rolig vann. Jevn vind tvinger deretter varer for lenge nok til at oppnår feltet havbølger overalt i delen test kvasi stabil tilstand. Vinden slår til slutt ned, igjen nesten impulsivt. På alle stadier registreres flere bølge parametere. Fremgangsmåten som gjør beregningen av mange statistisk representant ensemble-gjennomsnittet mengder karakteriserer feltet øyeblikkelig lokale havbølger roman, og ble utviklet i løpet av siste eksperimenter utført i våre anlegg ^{22 , 23 , 24}.