Misure delle onde in un serbatoio di ondata di vento sotto vento costante e variabili nel tempo costringendo

Fin dai tempi antichi, è stato ben noto che le onde sulle superfici dell’acqua sono eccitate dal vento. La comprensione corrente dei meccanismi fisici che regolano questo processo è lungi dall’essere soddisfacente. Numerose teorie che tentano di descrivere vento-generazione sono stati proposti sulle anni^1,2,3,4, tuttavia la loro validazione sperimentale affidabile non è ancora disponibile. Misure delle onde di vento casuale nell’oceano sono estremamente impegnative a causa del vento imprevedibile che può variare rapidamente in direzione pure come grandezza. Esperimenti di laboratorio hanno il vantaggio di condizioni controllabili che permettono misurazioni prolungate e ripetibili.

Sotto vento costante forzatura nell’ambiente di laboratorio, onde di vento si evolvono nello spazio. I primi esperimenti di laboratorio su onde sotto costante forzatura eseguite decenni fa erano limitati a quota altimetrica della superficie istantanea misure^5,6,7,8. Gli studi più recenti anche impiegate varie tecniche ottiche per misurare l’angolo di inclinazione superficie acqua istantaneo, ad esempio LSG^9,10. Tali misurazioni consentito ottenere alcune limitate informazioni qualitative sulla struttura tridimensionale dei campi di vento-onda. Quando vento costringendo è instabile, in quanto è in esperimenti sul campo, ulteriore complessità viene introdotto il problema dell’eccitazione di onde di acqua dal vento, dal momento che i parametri statistici del campo d’onda risultante variano non solo nello spazio ma nel tempo pure. I tentativi fatti finora per descrivere i modelli di evoluzione onda qualitativamente e quantitativamente sotto dipendente dal tempo costringendo erano solo parzialmente successo^{11,12,13,14 , 15 , 16}. il contributo relativo dei diversi meccanismi fisici plausibili che possono portare all’eccitazione e crescita delle onde a causa dell’azione del vento rimane in gran parte sconosciute.

Il nostro impianto sperimentale è stato progettato con lo scopo di consentire l’accumulo di informazione statistica accurate e diversificate sulla variazione delle caratteristiche del campo di vento-onda sotto costringendo entrambi vento stabile o instabile. Due fattori principali facilitato svolgere questi studi dettagliati. In primo luogo, le dimensioni modeste dei risultati struttura in evoluzione caratteristica relativamente breve scale nel tempo e nello spazio. In secondo luogo, l’intero esperimento è completamente controllato da un computer, consentendo in tal modo le prestazioni del sperimentale gira sotto diverse condizioni sperimentali automaticamente e praticamente senza alcun intervento umano. Queste caratteristiche della disposizione sperimentale sono di importanza cruciale nell’esecuzione di esperimenti sulle onde eccitate dal resto dal vento impulsivo.

Crescita spaziale delle onde di vento sotto costante forzatura è stato studiato nel nostro stabilimento per una gamma di vento velocità¹⁷. Risultati sono stati confrontati con le stime del tasso di crescita basate sulla teoria¹⁸ Miles come presentato da pianta¹⁹. Il confronto ha rivelato che i risultati sperimentali differiscono considerevolmente dalle previsioni teoriche. Ulteriori parametri importanti sono stati inoltre ottenuti in¹⁷, ad esempio per eliminare la pressione media nella sezione test, come pure i valori assoluti e fasi delle fluttuazioni di pressione statica caratteristica. La sollecitazione di taglio all’interfaccia aria-acqua è essenziale per la caratterizzazione del trasferimento di quantità di moto ed energia tra vento e onde^17,19. Di conseguenza, le misure di strato di contorno logaritmico e le fluttuazioni turbolente nel flusso d’aria sopra l’acqua, le onde sono state eseguite a numerose operazioni di recupero e vento velocità²⁰dettagliate. I valori di attrito velocità u_* all’interfaccia aria-acqua determinato in questo studio sono stati utilizzati per ottenere parametri adimensionali statistici delle onde vento misurate nel nostro impianto²¹. Questi valori sono stati confrontati con i corrispondenti parametri adimensionali ottenuti in grandi installazioni sperimentali ed esperimenti sul campo. È stato dimostrato in precedenza²¹ che con scala adeguata, le caratteristiche importanti del campo di vento-onda ottenuta nella nostra struttura su piccola scala non differiscono significativamente dai dati corrispondenti accumulato nel più grande laboratorio installazioni e misure in mare aperto. Questi parametri comprendono crescita spaziale dell’altezza d’onda rappresentative e lunghezza d’onda, la forma dello spettro di frequenza dell’elevazione superficiale, così come i valori dei più alti momenti statistici.

Gli studi successivi effettuati nel nostro impianto^22,23 ha mostrato che il vento le onde sono essenzialmente casuale e tridimensionale. Per ottenere una migliore comprensione delle strutture 3D delle onde di vento, è stato effettuato un tentativo per eseguire misurazioni quantitative dipendente dal tempo di quota altimetrica della superficie dell’acqua sopra un’area estesa con stereo imaging video²². A causa della potenza del computer insufficiente disponibile a algoritmi di elaborazione e presenti che non sono ancora sufficientemente efficaci, questi tentativi è risultato riuscire solo parzialmente. Tuttavia, è stato dimostrato che l’uso combinato di un misuratore di onda di capacitanza-tipo convenzionale e la LSG fornisce informazioni preziose sulla struttura spaziale delle onde di vento. Applicazione simultanea di entrambi tali strumenti consente misurazioni indipendenti con elevata risoluzione temporale dell’elevazione superficie istantanea e dei due componenti della pendenza istantanea della superficie²³. Queste misure permettono la stima della frequenza dominante e lunghezza d’onda dominante di onde, così come fornire informazioni sulla struttura di onda nella direzione normale al vento. Un tubo di pitot, che può essere spostata verticalmente da un motore comandato da calcolatore, integra la serie di sensori ed è utilizzato per misure di velocità del vento.

Tutti questi studi precisato che casualità e tridimensionalità del vento onde causare significativa variabilità dei parametri misurati anche per costante vento costringendo e un’unica posizione di misurazione. Così, prolungato misurazioni con durata commisurato con il caratteristico tempo scale del campo d’onda misurata sono necessari per accumulare informazioni sufficienti per l’estrazione di grandezze statistiche affidabili. Per acquisire una conoscenza fisica dei meccanismi che regolano la variazione spaziale del campo d’onda, è imperativo di effettuare misurazioni in numerose località e per altrettanti valori della portata del vento come possibile nel tratto di prova. Per raggiungere questo obiettivo, è quindi altamente consigliabile applicare una procedura sperimentale automatizzata.

Esperimenti sulle onde eccitate da vento instabile costringendo introducono un ulteriore livello di complessità. In tali studi, è imperativo per correlare i parametri misurati istantanei a livello istantaneo della velocità del vento. Esperimenti sulle onde considerare eccitato dal resto forzando un vento quasi impulsivo come un importante esempio. In questo caso, sono necessarie numerose misurazioni indipendenti del campo ondata di vento in continua evoluzione sotto l’azione del vento che varia nel tempo seguendo la stesso schema prestabilito²⁴. Significativo dei parametri statistici, espressi come una funzione del tempo trascorso da quando l’avvio del flusso d’aria, sono quindi calcolati facendo la media dei dati estratti dall’ensemble accumulato delle realizzazioni indipendenti. Questa impresa può coinvolgere decine e centinaia di ore di campionamento continuo. La durata totale delle sessioni sperimentali necessarie per svolgere tale compito ambizioso rende l’intero approccio impraticabile, a meno che l’esperimento è completamente automatizzato. Tale procedura sperimentale completamente computerizzato in strutture ondata di vento non è stato sviluppato fino a poco tempo. Che è tra i motivi principali per la mancanza di dati statistici affidabili sulle onde di vento sotto costringendo instabile.

Poiché l’impianto utilizzato per l’esperimento non è costruito da commercialmente disponibile, hardware COTS, una breve descrizione delle sue parti principali è fornita qui.

Figura 1. Schematica (non in scala) vista della struttura sperimentale. 1 – ventilatore; 2 – afflusso sedimentazione camera; 3 – uscita sedimentazione camera; 4 – scatole silenziatore; 5 – sezione test; con un 6 – spiaggia; 7 – scambiatore di calore; 8 – a nido d’ape; 9 – ugello; 10 – wavemaker; 11 – falda; 12 – trasporto di strumento; 13 – calibro onda azionata da un motore passo-passo; 14 – tubo di Pitot azionata da un motore passo-passo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L’impianto sperimentale è costituito da una galleria del vento a circuito chiuso montata sopra un serbatoio di onda (una vista schematica è illustrata nella Figura 1). Sezione test è 5 m lungo, 0,4 m di larghezza e 0,5 m di profondità. Il pavimento e le pareti laterali sono costituite da lastre di vetro spessore 6 mm e sono racchiuse all’interno di un telaio in profili di alluminio. Una falda lunga 40 cm fornisce un’espansione liscia della sezione trasversale del flusso d’aria dall’ugello alla superficie dell’acqua. Energia del moto ondoso assorbendo spiaggia fatta di materiale di imballaggio poroso si trova all’estremita ‘ del serbatoio. Un ventilatore controllato dal computer permette di raggiungere velocità di flusso media aria nel tratto di prova fino a 15 m/s.

Il calibro di 100 mm di lunghezza d’onda di capacitanza-tipo su misura fatta di tantalio anodizzato. filo di 0,3 mm è montato su un palcoscenico verticale azionato da un motore passo controllati da PC progettato per la taratura del calibro di onda. Un tubo di Pitot con un diametro di 3 mm viene utilizzato per misurare la pressione dinamica nella parte centrale del flusso d’aria della sezione di prova.

La LSG, misura la pendenza della superficie acqua istantaneo 2D, viene installato su un telaio indipendente dalla sezione di test che può essere posizionata in qualsiasi posizione lungo il serbatoio (Figura 2). LSG è costituito da quattro parti principali: un diodo laser, una lente di Fresnel, uno schermo diffusivo e un assemblaggio di rivelatore di rilevamento posizione (PSD). Il diodo laser genera un 650 nm (rosso), 200 mW attivabile fascio laser con diametro di circa 0,5 mm. Il 26,4 cm diametro lente di Fresnel con lunghezza focale di 22,86 cm dirige il fascio laser in arrivo alla schermata diffusivo 25×25 cm² situato nel piano focale posteriore dell’obiettivo.

Figura 2. Vista schematica di Misuratore Laser del pendio (LSG). 1 – laser diodo; 2 – lente di Fresnel; 3 – diffusivo schermo; 4 – posizione sensore rilevatore (PSD). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Questo protocollo descrive la procedura che consente di eseguire esperimenti in cui numerosi parametri che caratterizzano le onde instabile sono misurati simultaneamente sotto vento dipendente dal tempo costringendo. La procedura può essere regolata per qualsiasi dipendenza desiderata di velocità del vento il tempo che può essere raggiunto in considerazione delle limitazioni tecniche dell’impianto sperimentale. Il presente protocollo viene descritto in particolare esperimenti in cui in ogni realizzazione, vento quasi impulsivamente ricomincia inizialmente calma acqua. Il vento costante costringendo quindi dura per abbastanza a lungo che il campo di vento-onda ovunque nella sezione test raggiunge stato quasi-stazionario. Il vento è chiusa alla fine giù, ancora quasi impulsivamente. In tutte le fasi, vengono registrati più parametri di onda. La procedura che consente il calcolo di numerose quantità ensemble-media statisticamente rappresentative che caratterizzano il campo istantaneo ondata di vento locale è romanzo ed è stato sviluppato nel corso di recenti esperimenti effettuati nella nostra struttura ^{22 , 23 , 24}.