Mesures des ondes dans un réservoir de vent-vagues sous vent régulier et instationnaire forçant

Depuis l’antiquité, il est bien connu que les vagues sur la surface de l’eau sont excités par le vent. La compréhension actuelle des mécanismes physiques qui régissent ce processus est loin d’être satisfaisante. Nombreuses théories tente de décrire de génération de vent-vagues ont été proposées sur les années^1,2,3,4, mais leur validation expérimentale fiable n’est pas encore disponible. Mesures de vent aléatoires-vagues dans l’océan sont extrêmement difficiles en raison des vents imprévisibles qui peuvent varier rapidement dans la direction ainsi que dans l’ampleur. Des expériences en laboratoire ont l’avantage des conditions contrôlables permettant des mesures reproductibles et prolongées.

Sous vent constant forçant dans l’environnement de laboratoire, les vagues de vent évoluent dans l’espace. Premières expériences en laboratoire sur ondes sous forçage constant effectué depuis des décennies sont limitaient à élévation instantanée de la surface des mesures^5,6,7,8. Des études plus récentes ont également employé diverses techniques optiques pour mesurer l’angle d’inclinaison de surface eaux instantanés tels que LSG^9,10. Ces mesures a permis d’obtenir certains limitée des informations qualitatives sur la structure tridimensionnelle des champs de vent-vagues. Lorsque le vent forçage est instable, comme dans les expériences sur le terrain, complexité supplémentaire est introduite au problème de l’excitation de l’eau des vagues par le vent, puisque les paramètres statistiques du champ vague résultante varient non seulement dans l’espace, mais dans le temps ainsi. Les tentatives faites jusqu’à présent pour décrire les modèles d’évolution de vagues qualitativement et quantitativement sous forçage dépendant du temps étaient seulement partiellement réussi^{11,12,13,14 , 15 , 16}. croissance des ondes en raison de l’action du vent et la contribution relative des différents mécanismes physiques plausibles qui peuvent mener à une excitation restent largement méconnues.

Notre centre expérimental a été conçu dans le but de permettre l’accumulation d’informations statistiques précises et diverses sur la variation des caractéristiques du champ de vent-vagues sous chaque forçage de vent stable ou instable. Deux principaux facteurs ont facilité mener ces études détaillées. Tout d’abord, la taille modeste des résultats dans l’évolution caractéristique relativement courte installation évolue dans le temps et l’espace. Deuxièmement, l’expérience entière est entièrement contrôlé par un ordinateur, permettant ainsi la performance de pistes expérimentales dans des conditions expérimentales différentes automatiquement et pratiquement sans intervention humaine. Ces caractéristiques de l’installation expérimentale sont d’une importance cruciale dans des expériences sur les ondes excités reste par vent impulsif.

La croissance spatiale des vagues de vent sous forçage constant a été étudiée dans notre établissement pour un éventail de vitesses de vent¹⁷. Résultats ont été comparés avec les estimations des taux de croissance basées sur la théorie de¹⁸ Miles telle que présentée par l’usine¹⁹. La comparaison a révélé que les résultats expérimentaux diffèrent notamment les prédictions théoriques. Les paramètres importants supplémentaires ont également étaient d’obtenus en¹⁷, comme la baisse de la pression moyenne dans la section d’essai, ainsi que les valeurs absolues et les phases des fluctuations de pression statique caractéristique. La contrainte de cisaillement à l’interface air-eau est essentielle pour la caractérisation de l’élan et l’énergie de transfert entre le vent et les vagues de^17,19. Donc, en détail des mesures de la couche limite logarithmique et les fluctuations turbulentes dans le flux d’air au-dessus de l’eau vagues ont été effectués à plusieurs extractions et vent des vitesses²⁰. Les valeurs de la friction vitesse u_* à l’interface air-eau identifié dans cette étude ont été utilisées pour obtenir des paramètres adimensionnels statistiques des vent-vagues mesurées dans notre usine²¹. Ces valeurs ont été comparées avec les paramètres sans dimension correspondants obtenus dans les grandes installations expérimentales et expériences sur le terrain. Il a été démontré précédemment²¹ qu’avec la bonne échelle, les caractéristiques importantes du champ vent-vagues obtenus dans nos installations à petite échelle ne diffèrent pas significativement les données correspondantes accumulés dans le plus grand laboratoire installations et mesures de la mer ouverte. Ces paramètres incluent la croissance spatiale du représentant si la hauteur et longueur d’onde, la forme de la bande de fréquences de l’élévation de la surface, ainsi que les valeurs des moments statistiques plus élevés.

Les études ultérieures menées dans notre établissement^22,23 a montré que les vagues de vent sont essentiellement aléatoire et en trois dimensions. Pour obtenir un meilleur aperçu de la structure 3D des vagues de vent, une tentative a été effectuée pour effectuer des mesures quantitatives de dépendant du temps de l’élévation de la surface l’eau sur une zone d’extension à l’aide de stéréo d’imagerie vidéo²². En raison de la puissance informatique inadéquat disponible à présents et traitement des algorithmes qui ne sont pas encore suffisamment efficaces, ces tentatives se sont avérés être seulement partiellement réussie. Toutefois, il a été démontré que l’utilisation combinée d’un calibre d’onde conventionnelle capacitance et la LSG fournit des renseignements précieux sur la structure spatiale des vagues de vent. L’application simultanée de ces deux instruments permet des mesures indépendantes avec une haute résolution temporelle de l’élévation de surface instantanée et des deux composantes de la pente de la surface instantanée²³. Ces mesures permettent l’estimation de la fréquence dominante et longueur d’onde dominante de vagues, ainsi que fournir la structure de l’onde dans la direction perpendiculaire au vent. Un tube de pitot, qui peut être déplacé verticalement par un moteur commandé par ordinateur, complète l’ensemble des capteurs et est utilisé pour les mesures de vitesse du vent.

Toutes ces études clairement qu’aléatoire et la tridimensionnalité de vent vagues entraînent une variabilité significative des paramètres mesurés même pour stabiliser le vent forçage et un seul emplacement de mesure. Ainsi, a prolongé les mesures avec une durée proportionnelle à la fois caractéristique échelles du champ vague mesurées sont nécessaires pour accumuler suffisamment de renseignements permettant d’extraire des quantités statistiques fiables. Pour obtenir de précieuses informations physiques sur les mécanismes qui régissent la variation spatiale du champ vague, il est impératif d’effectuer des mesures à de nombreux endroits et pour des valeurs de la vitesse d’écoulement de vent autant que possible dans la section de l’essai. Pour atteindre cet objectif, il est donc hautement souhaitable d’appliquer une procédure expérimentale automatisée.

Expériences sur les ondes excités en forçant les vent instable va présenter un niveau de complexité supplémentaire. Dans ces études, il est impératif de relier les paramètres mesurés instantanées au niveau instantané de la vitesse du vent. Envisager des expériences sur les ondes excité du reste par un forçage de vent presque impulsif comme un exemple important. Dans ce cas, de nombreuses mesures indépendantes sont nécessaires du champ vent-onde évolue sous l’action du vent qui varie dans le temps suivant le même modèle prescrit²⁴. Les paramètres statistiques significatives, exprimées en fonction du temps écoulé depuis l’ouverture du flux d’air, sont alors calculés en faisant la moyenne des données extraites de l’ensemble cumulé des réalisations indépendantes. Cette entreprise peut impliquer des dizaines et des centaines d’heures d’échantillonnage en continu. La durée totale des sessions expérimentales nécessaires pour accomplir une tâche aussi ambitieuse restitue toute l’approche irréalisable, à moins que l’expérience est entièrement automatisée. Aucune telle procédure expérimentale entièrement informatisé dans les installations de vent-vagues n’a été développé jusqu’à une date récente. C’est parmi les principales raisons de l’absence de données statistiques fiables sur les vagues de vent sous forçage instable.

Étant donné que les installations utilisées pour l’expérience ne sont pas construite de disponible dans le commerce, matériel sur étagère, une brève description de ses pièces principales est fournie ici.

Figure 1. Schéma (à ne pas mettre à l’échelle) vue de l’installation expérimentale. 1 – ventilateur ; 2 – apport décantation chambre ; 3 – sortie décantation chambre ; 4 – boîtes de silencieux ; 5 – section test ; avec un 6 – plage ; 7 – échangeur de chaleur ; 8 – nid d’abeille ; 9 – buse ; 10 – wavemaker ; 11 – Rabat ; 12 – transport instrument ; 13 – calibre vague entraînée par un moteur pas à pas ; 14 – tube de Pitot entraîné par un moteur pas à pas. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

L’installation expérimentale se compose d’une soufflerie de boucle fermée montée au-dessus d’une cuve à Houle (une vue schématique est illustrée à la Figure 1). La section test a 5 m de long, largeur 0,4 m et 0,5 m de profondeur. Les parois latérales et le plancher sont faits de plaques de verre d’épaisseur de 6 mm et sont enfermés dans un cadre en profilés d’aluminium. Un lambeau de long 40 cm fournit une expansion en douceur de la section transversale du flux d’air qui sort du gicleur à la surface de l’eau. Absorption d’énergie vague plage fait de matériel d’emballage poreux est située à l’extrémité du réservoir. Un ventilateur commandé par ordinateur permet d’atteindre la vitesse d’écoulement moyenne de l’air dans la section d’essai jusqu’à 15 m/s.

La jauge de 100 mm de longueur onde sur mesure de type capacitance faite de tantale anodisé. fil de 0,3 mm est monté sur une scène verticale actionnée par un moteur d’étape piloté par PC conçu pour l’étalonnage du manomètre vague. Un tube de Pitot d’un diamètre de 3 mm est utilisé pour mesurer la pression dynamique dans la partie centrale d’air de la section de l’essai.

La LSG, mesure la pente de la surface d’eau 2D instantanée, est installé sur un châssis détaché de la section d’essai qui peut être positionnée n’importe où le long du réservoir (Figure 2). LSG se compose de quatre parties principales : une diode laser, une lentille de Fresnel, un écran de diffusion et une Assemblée de détecteur de détection de Position (PSD). La diode laser génère un 650 nm (rouge), 200 mW laser Focus faisceau d’environ 0,5 mm de diamètre. Le diamètre de 26,4 cm lentille de Fresnel avec une longueur focale de 22,86 cm dirige le faisceau laser entrant à l’écran par diffusion de 25 x 25 cm² , situé dans le plan focal arrière de la lentille.

Figure 2. Vue schématique de la jauge Laser de pente (LSG). 1 – laser diode ; 2 – lentille de Fresnel ; 3 – diffusion écran ; 4 – position capteur détecteur (PSD). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Ce protocole décrit la procédure qui permet de réaliser des expériences dans lesquelles nombreux paramètres caractérisant les vagues instables ont été mesurées simultanément dans vent dépendant du temps forçant. La procédure peut être réglée à n’importe quelle dépendance souhaitée de la vitesse du vent sur le temps qui peut être atteinte compte tenu des limitations techniques de l’installation expérimentale. Le présent protocole décrit plus précisément les expériences où dans chaque réalisation, vent recommence presque impulsivement eaux calmes au départ. Le vent constant, forçant alors dure assez longtemps que le champ de vent-vagues partout dans la section test atteint l’état quasi-stationnaire. Finalement, le vent est fermé vers le bas, encore une fois presque impulsivement. À tous les stades, plusieurs paramètres de vague sont enregistrées. La procédure qui permet le calcul de nombreuses quantités moyennes d’ensemble statistiquement représentatifs caractérisant le domaine d’instantané d’onde vent local est roman et a été développé dans le cadre des expériences récentes menées dans nos installations ^{22 , 23 , 24}.