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要約

本稿では、水面波の定常および非定常風の小規模な施設で強制励起の実験から信頼性の高い統計パラメーターを取得できるように完全にコンピューター制御の手順について説明します。

要約

本稿では、強制的に時間に依存し、安定した風によって励起された水の波の時空進化上多様な定量的情報を得ることができる実験手順について説明します。静電容量型波ゲージとレーザー傾斜計 (LSG) 瞬間湯サーフェスの標高と風波施設のテスト セクションに沿って場所の数で瞬時の地表面の傾斜の 2 つのコンポーネントを測定する使用されます。コンピューター制御送風機は、その率は時間で変わることができるタンクの水を空気の流れを提供します。現在の実験では、テスト セクション内風速当初すぐに増加残りの部分から設定値に。それは保存されます一定期間の定め。最後に、空気の流れをシャット ダウンします。各実験の実行の先頭に、水面は穏やか、風がないです。コンピューターで、すべてのセンサーによって提供されるデータの取得と送風機の操作が同時に開始されました。データ集録には、タンク内の波が完全に崩壊するまで続けています。統計的に信頼性の高いアンサンブル平均特性パラメーターを決定する定量的として開発初期段階の風波の変動を説明する強制的同一の条件の下で実行される複数の独立した実行を許可します。フェッチの機能。回のフェッチ関数として風をシャット ダウンで安定した風を強制的に、下波の空間の進化だけでなく、波の減衰を特徴付けるプロシージャができます。

概要

古来、水の表面波が風で興奮しているはよく知られているだった。このプロセスを支配する物理的なメカニズムの現在の理解は決して満足できます。その信頼性の高い実験的検証はまだ利用できませんが年1,2,3,4、上風波を説明しようと数多くの理論を提案しました。海でランダムな風・波の測定方向だけでなく大きさですぐに変わるかもしれない予測不可能な風による非常に挑戦しています。実験室には、長期かつ再現可能な測定を可能にする制御の条件の利点があります。

実験室環境での強制定常風、風波は空間で進化します。着実な強制の下で波の初期の実験は、瞬時のサーフェス標高測定5,6,7,8に限られていた数十年前を実行します。最近の研究はまた、LSG9,10などの瞬時の水表面の傾斜角度の測定に様々 な光学技術を採用しました。これらの測定は、風波動場の三次元構造に関する定性的情報を限られたいくつかの取得を許可しました。フィールド実験では、風を強制的に安定したが、追加が複雑になる水波の励振の問題に風、結果として得られる波の統計的パラメーター空間だけでなく時間もが異なるため。時間依存性の強制の下で定性的・定量的波進化パターンを記述するところの試行がのみ部分的に成功した11,12,13,14,15,16. 励起につながる可能性があります別の説得力のある物理メカニズムの相対的な貢献と風による波の成長はほとんど不明のまま。

私たちの実験施設は、いずれかの点灯または非定常風の強制の下で風波フィールド特性の変化に関する正確かつ多様な統計情報の蓄積を有効にすることを目的として設計されました。2 つの主要な要因は、これらの詳細な研究の遂行を促進しました。まず、施設結果を比較的短い特徴的な進化での適度なサイズは、時間と空間のスケールします。第二に、全体の実験はでき異なる実験条件下での実験の実行のパフォーマンスと実質的に自動的に人間の介入なし、コンピューターによって完全に制御されます。実験の設定のこれらの機能は、衝動的な風によって残りの部分から波で実験を行うことで重要です。

安定した加温風波の空間の成長は、風の速度の17の範囲のための私たちの施設で研究されています。提示する植物19マイル18理論に基づく成長率予測と比較しました。比較では、特に理論的予測と実験の結果は異なることを明らかにしました。追加の重要なパラメーターは、テスト セクションと同様、絶対値と特性の静圧変動のフェーズでの平均圧力降下の得られた17もあった。空気-水界面せん断応力は、風と波の17,19間の運動量とエネルギーの転送の評価に不可欠です。したがって、対数の境界層と水面波で多数のファイルのフェッチを行ったし、風の速度20空気流中における乱流の変動の測定の詳細。摩擦速度u*今回決定した空気-水界面での値は、当社施設21単位風波の無次元の統計的パラメーターを取得する使用されました。これらの値は、大規模なインストールや実験とフィールド実験で得られた対応する無次元パラメーターと比較しました。それを示した21以前大きい研究所で蓄積された、適切なスケーリング、私たち小規模の施設で得られた風波の重要な特性大差ない対応するデータからインストールと外洋の測定。これらのパラメーターには、代表的な波の高さと、高次統計モーメントの値と同様に、サーフェスの標高の周波数スペクトルの形状の波の長さの空間的成長が含まれます。

当社施設22,23で実施、その後の研究は、波も風もランダムと三次元で本質的にことを示した。風波の 3 D 構造によりよい洞察力を得るためステレオ ビデオ イメージング22を使用して拡張領域に水表面高度の時間依存性の測定を実行することを試みました。不十分なコンピューター電源が存在し、処理のアルゴリズムはまだ十分に有効利用可能、ためこれらの試みは部分的に成功しただけことが分かった。しかし、従来の静電波ゲージと、LSG の併用が風の波の空間構造の貴重な情報を提供することを実証しました。両方のこれらの楽器の同時適用は、瞬時のサーフェスの標高と瞬時斜面23の 2 つのコンポーネントの高時間分解能独立で測定できます。これらの測定値は、両方の支配的な周波数の推定と波と風に垂直な方向に波構造に洞察力を提供する支配的な波の長さを許可します。コンピューター制御のモーターで垂直方向に動かすことができる、ピトー管はセンサーのセットを補完する、風の速度の測定に使用されます。

定常ランダム性と波の結果も測定のパラメーターの有意な変動で風の作られたクリア風を強制的にこれらのすべての研究、1 つの測定場所。したがって、延長期間の測定波のスケールは信頼できる統計量を抽出するために十分な情報の蓄積に必要な特性の時間に見合った測定。波動場の空間的変化を支配するメカニズムに貴重な物理的な洞察力を得るためには、テスト セクションでできるだけ風の流量の値の数だけ、多数の場所で測定を実施することが不可欠です。この目標を達成するためにつまり、高い自動実験手順を適用することが望ましい。

強制的に非定常風圧による励起の実験では、複雑さの追加レベルをご紹介します。このような研究では、風速の瞬時レベルに瞬時の測定パラメーターに関連することが不可欠です。重要な例として強制ほぼ衝動的な風によって残りの部分から興奮波の実験を検討してください。この場合、次の同じ所定のパターン24時間で変化する風の作用の下で進化する風波の多数の独立した測定が必要です。独立した認識の蓄積されたアンサンブルから抽出したデータを平均することによって、空気の流れの開始から経過した時間の関数として表されます、有意義な統計パラメーターを算出します。この事業には、何十、何百時間もの連続サンプリングを伴うことがあります。このような野心的なタスクを達成するために必要な実験的セッションの合計時間は、実験は完全に自動化されている場合を除き、不可能、アプローチ全体をレンダリングします。最近まで風波設備完全コンピューターこのような実験手順は開発されてないです。非定常強制の下で風波に関する信頼できる統計データの不足のための主な理由間にあること。

市販から実験用に供する施設を構築しないので市販のハードウェア、その主要部分の簡単な説明はこちら

figure-introduction-3790
図 1。回路図 (拡張しない) 実験施設のビュー 。1 送風機;2-流入セトリング室;3 流出セトリング室;4-サイレンサー。5-テスト セクション;6 - ビーチ;7-熱交換器;8-ハニカム;9-ノズル;10-wavemaker;11-フラップ;12-楽器運送;13 ステッピング モーターによって駆動される波ゲージ14-ピトー管ステッピング モーターによって駆動されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

(スケマティック ビューは、図 1に示す) 波浪水槽を介してマウントされたクローズド ループの風洞実験施設で構成されます。テスト セクションは 5 m、幅 0.4 m と 0.5 m 深いです。側壁と床の 6 mm 厚のガラス板から成っているアルミニウム プロファイル製フレームに含まれています。40 cm の長いフラップは、水表面にノズルから空気の流れの断面の滑らかな拡張を提供します。タンクの遠端に波エネルギー吸収製多孔性充填剤のビーチがあります。コンピューター制御送風機では、15 m/s までテスト セクションの平均流速を達成することができます。

カスタムメイドの静電容量型 100 mm ロング ウェーブ ゲージは、陽極酸化タンタル製です。0.3 mm の線は、波計の校正用に設計された PC 制御ステップ モーターによって駆動される垂直ステージにマウントされます。直径 3 mm のピトー管は、テスト セクションの中央通気部分における動圧を測定に使用されます。

LSG、瞬時二次元水地表面の傾斜の測定は、タンク (図 2) に沿って任意の場所に配置することができますテスト セクションから切り離されたフレームにインストールされます。LSG は、4 つの部分で構成されています: レーザー ダイオード、フレネル レンズ、拡散の画面、および位置検出器 (PSD) アセンブリ。レーザー ダイオードは、約 0.5 mm の直径との 650 nm (赤)、200 mW フォーカス レーザー ビームを生成します。26.4 cm 直径 22.86 cm の焦点距離のフレネル レンズは、レンズの後焦点面に 25 × 25 cm2拡散画面に着信のレーザービームを指示します。

figure-introduction-5162
図 2。スケマティク ビューのレーザー傾斜計 (LSG).1 レーザー ダイオード。2-フレネル レンズです。3 拡散の画面;4-位置センサー検出器 (PSD)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

このプロトコルでは、時間依存の風強制の下で非定常波数多くパラメーターの定量実験を行うことができる手順について説明します。プロシージャは、任意の風速目的依存性実験施設の技術的制限の観点から達成することができる時間を調整できます。この議定書では、特に実験最初穏やかな水に風がほぼ衝動的開始するすべての実現で、について説明します。長く持続を強制的にし、安定した風テスト セクション内どこでも波風準定常状態に達する。ダウン、再びほぼ衝動的に最終的に、風はシャット ダウンします。すべての段階で、複数の波のパラメーターが記録されます。瞬時ローカル風波フィールドを特徴づける数多く統計的に代表的なアンサンブル平均数量の計算は、小説、最近の実験の過程で開発されたことができる手順は、私たちの施設で実施22,23,24。

プロトコル

1. システムの準備

  1. 深層水の条件を満たすために約 20 cm の深さまで水道水でタンクを満たす表面張力に影響を与える可能性があります任意の汚染物質の水表面をきれいにします。
  2. 必要なフェッチの楽器運送を配置します。
    1. ピトー管をマウントし、テスト セクションの通気部分の中心に位置します。
    2. その静的なキャリブレーションを有効にするコンピューター制御垂直ステージ上波計をマウントします。
  3. 波の干渉を排除する LSG アセンブリ必要なフェッチと波計から約 7 cm の横方向の距離を測る光パスを使用してアセンブリの位置。
    注: 周囲の光に PSD の露出を防ぐためにも、レーザビームのスプリアス反射から環境を保護するためには、不透明なカーテンの使用を勧めします。
    1. ビームは垂直方向に指示されるので、水タンクの下にレーザーを合わせ、ビームの焦点を当てます。
    2. フレネル レンズ レンズの空気の流れの障害を最小限に抑えるための水の表面上に可能な限り高いテスト セクション内の位置。
    3. 実験的セッションの計画極端な風の条件下でその中央部にレンズを偏向レーザー ビームに当たるかどうかを確認します。
    4. まさにレンズの焦点面で拡散の画面をマウント、レンズと画面の両方の水平および垂直方向の配置を確認します。
    5. 任意の 2 つの平行垂直レーザーのビームが中央に正確拡散画面にヒットするときに水の表面はまだことを確認します。
      注: これはテストできます互いからいくつかの距離に位置している 2 つの同一のレーザーを使用しています。
    6. 拡散の画面の領域全体が検出器の有効範囲内にあるかどうかを確かめる psd ファイルを配置します。レンズとスクリーンの間の実際の距離にレンズの設定を調整することによって PSD レンズのフォーカスを実行します。

2. 校正およびセンサーの操作

  1. 波計の校正
    1. 各測定場所の実験の実行で期待されるそれぞれの最大風速波ゲージ校正を実行します。
      1. 平均水位が検出ワイヤの長さのほぼ中央にあるので、センサーの垂直方向の位置を設定します。
      2. 送風機の速度を目的の値に設定でき、十分に長い時間 (2-3 分) を着実に吹く風。
      3. 感性、ゲイン、および最高の紋章と波動場の予想最低トラフに対応する電圧値を A/D の範囲内で確実にエアコン ユニットを使用して波ゲージのオフセット オシロ スコープを使用して、手動で調整します。(± 10 V) コンバーター。
      4. 数分、水の表面が完全に邪魔されずになるまでの送風機をシャット ダウンします。
      5. 水中の長さが予想される最大クレスト、波を移動することによってトラフ値は垂直方向にゲージを確認します。
      6. 静かな水指定した深さの数でゲージを水没と 5 時の平均電圧出力を記録にカスタムメイドのルーチンを使用して波ゲージの自動校正を行う各深さの s。
      7. 二次校正を求めたH(V)、 Hはゲージ出力電圧の関数として (瞬時のサーフェスの標高に対応)、浸漬深さを記録されたデータを多項式を適合します。
      8. 視覚的に合われた校正多項式 (図 3) の品質を確認します。

figure-protocol-1768
図 3。波計の較正曲線。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

  1. 校正、LSG の調整
    1. 各変位センサーのアセンブリの後のゴム風船のパフォーマンスを確認します。
      1. 水平ガラス シートに配置される光学ウェッジ プリズムを使用して、知られている水の地表面の傾斜をシミュレートする光軸に対してレーザー光を逸脱します。
      2. 逸脱したレーザービームのオシロ スコープまたはカスタム データ集録プログラムを使用して拡散画面でスポットのサンプル psd ファイルを出力します。
      3. ビーム偏向角度と測定座標レーザー ビーム スポット座標から傾斜角を計算します。知られているウェッジの角度と結果を比較します。
      4. 1 つまたは複数のプリズムを使用していくつかの偏向角度に対して手順を繰り返します。
        注: に至る 2.5 ° 17.5 ° 偏角とウェッジ プリズムを用いられていました。PSD の拡散型のスクリーンとの誤差のため、テストが失敗した場合のずれを補正する psd ファイルを手動で調整します。この手順では、2次元水平平行移動ステージとレベルを使用して手動で実行しは非常に時間がかかる。
    2. PSD と校正手順の直線性の検証
      1. 拡散の画面上の透明シートにプリントされた等間隔のグリッドを配置してある軸、 x y、揃うダウンとクロス風の方向、それぞれ方向づけし (図 4)。
        注: グリッドを容易に便利な拡散画面上の目的の場所にレーザー光を演出し、正確にプリズムのセットを使用してまたはに沿って風と横風の方向に拡散スクリーンの下レーザーを移動します。
      2. プリズムのセットを使用して、一定の方位角を維持しながらレーザー ビーム拡散画面上のスポットの複数の放射状の位置を取得する垂直レーザー ビームを偏向します。
        メモ: 分解能 1 cm と 7 cm の最大半径 9 方位角角度ごとに使用されます。
      3. Xの複数の位置にレーザー スポットを移動-方向、 yを維持しながら定数を調整の動きの方向をyに変更し、 xを一定に保ちます。
        注: 範囲と解像度を使用前のセクションからのものと似ています。
      4. すべての校正のグリッドに約 50 点を収集します。
        注: レーザー ビーム スポット座標 PSD によって取得され、psd ファイルに接続されている標準的な 2 ch のオシロ スコープを使用して評価されます。
        1. 各方向使用線形データの拡散型のスクリーンに対応する座標に PSD センサーにレーザー光線の座標を変換する校正係数を生成する合います。
          注: PSD 校正の例は、一連のテスト セクションの中心線に沿って撮影ポイントの図 5 にプロットされます。センサー、およびこうして校正係数の応答は、拡散スクリーンとセンサーの軸が正しく配置されるすべての方向でほぼ同じです。グリッド画面で拡散レーザー斜面座標の簡単な決定をすること、校正手順が容易になります。

figure-protocol-3585
図 4。拡散型のスクリーン グリッド。グリッドを容易に便利かつ正確に、プリズムのセットを使用するか、風に沿って拡散スクリーンの下レーザーを移動拡散画面上の目的の場所にレーザー光を演出し、横風の方向してくださいここをクリックしてこの図の拡大版を表示します。

figure-protocol-3974
図 5。PSD 較正曲線。図に示します、PSD の翻訳出力電圧座標が十分な結果が得られます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

3 実験の概要とデータ集録

注: は、次の手順で使用されるユーザー インターフェイスの補足図 1を参照してください。

  1. 特注プログラムのユーザー インターフェイスを使用して送風機周波数を設定します。
    注: 最初邪魔されず水面上の風の速度のほぼ段階的増加は適用され、安定した風量所定期間の (120 s)、および送風機のほぼ衝動的にシャット ダウン。
  2. 別の安定した風の流れ料金の数と必要な送風機の設定を決定します。
  3. ピトー管による動圧変化の予想の範囲に圧力トランスデューサーを調整します。
  4. 各実現の先頭には、風がないと、水は妨げられていない (滑らかな鏡面) ことを確認します。送風機の操作に同期的にデータ集録を開始します。
  5. 瞬時のサーフェス標高、地表面の傾斜に沿ってコンポーネント記録-横風の方向、ピトー管出力平均風速Uを監視および所定のサンプリングの送風機コント ローラーから電圧変動率 (300 Hz/チャネルに使用された)。
    注: 波ゲージ プログラムによって取得からの電圧は図3 フィットから校正係数を使用してサーフェスの標高に自動的に変換されます。
  6. 送風機のシャット ダウン後減衰波を記録するための十分な時間のためのサンプリングを続けます。
  7. サンプリングが完了したら、自動実験手順が次の実行の開始前に妨げられていない条件に水表面をもたらす (システム) によって十分な時間のことができますを確認します。
  8. 後続の処理のためのすべての記録データを保存します。
  9. (通常 100 の独立した実行を十分に発見された) 認識の所定の数を実行します。
  10. 送風機の開始から経過した時間の関数では、記録されたデータのアンサンブル平均パラメーターを計算します。
  11. テスト セクションで選択されているターゲットの風の速度に対応する送風機の次の設定は、全体の手順を繰り返します。

結果

代表的なアンサンブル平均の結果は、図 6図 7図 8にプロットされます。時間の関数として図 6に示されるようにランダム風の波の振幅を特徴づける瞬時サーフェス標高 <η2>1/2の RMS 値の変化を経過送風機の開始。Wavemaker、 xから 3 の?...

ディスカッション

現在実験的なプロトコルは、時間と空間で進化する非定常風圧の強制の下で波の定量的評価を目指しています。風波でランダムと三次元、本質的には、そのため迅速に時間と空間でいろいろ時間依存の風強制の下で成長している風波の個々 の認識のレコード管理の質的な見積もりで提供できるだけ波パラメーター。このプロトコルの目標を達成し、統計的信頼性の高い時間とフェッチ依存波...

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

この作品は、イスラエル科学財団によって支えられたグラント # 306/15。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
PSDTHORLABSPDP90A
Laser Diodeany laser pointer ≤ 200 mW
Aspheric Fresnel LensEDMUND OPTICS#46-390Diameter 10.4'', Focal length 9''
Wave-gaugecustom made
Pressure TransducerMAMAC SYSTEMSPR-274-R2-VDC
Signal Conditionercustom made
Diffusive screenEDMUND OPTICS#02-147
Water tankcustome made
A/D card PCI-6221National Instruments779066-01
Pitot tubeKIMO Instruments12971
15° Nom. VIS-NIR Coated, Wedge PrismEDMUND OPTICS#47-624
10° Nom. VIS 0° Coated, Wedge PrismEDMUND OPTICS#49-444
2.5° Nom. Fused Silica Wedge Prism UncoatedEDMUND OPTICS#84-863
4° Nom. Uncoated, Wedge PrismEDMUND OPTICS#43-650
5.0° Nom. Fused Silica Wedge Prism UncoatedEDMUND OPTICS#84-865
LabView Full Development SystemNational Instruments776670-35

参考文献

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