Измерения волн в цистерне заставляя устойчивый и времени ветер Ветер волны

Резюме

Эта рукопись описывает полностью под контролем компьютера процедура, которая позволяет получать надежные статистические параметры из экспериментов взволнован, заставив устойчивый и нестационарных Ветер в объекте мелких волн на воде.

Аннотация

Эта рукопись описывает экспериментальная процедура, которая позволяет получать различные количественной информации о временнóй и пространственной эволюции водных волн возбужденных, заставляя время зависимых и стабильный ветер. Емкость типа волны датчика и датчика лазерные склон (МСУ) используются для измерения мгновенного воды поверхности фасада и двух компонентов мгновенной поверхности склона на ряд мест вдоль тестового объекта Ветер волны. Управляемая компьютером вентилятора обеспечивает поток воздуха над водой в баке, скорость которого может меняться во времени. В настоящее время экспериментов скорость ветра в разделе тест изначально быстро увеличивается от отдыха на заданное значение. Он затем остается неизменной в течение предписанного; Наконец воздушный поток завершает работу. В начале каждого экспериментального запуска, поверхности воды спокойной, и нет ветра. Операция воздуходувки инициируется одновременно с приобретением данных, предоставляемых всех датчиков компьютера; сбора данных продолжается до тех пор, пока волны в бак полностью разлагаются. Несколько независимых запусков, выполняемую в одинаковых заставляя условиях позволяют определять статистически достоверное ансамбль в среднем характерные параметры которые количественно описать ветровых волн различия во времени на начальном этапе развития как Функция выборки. Процедура также позволяет, характеризующие пространственной эволюции волнового поля под стабильный ветер принуждение, а также распад волн в момент, когда ветер завершает работу, как функция fetch.

Введение

С древних времен это было хорошо известно, что волны на поверхности воды в восторге от ветра. Нынешнее понимание физических механизмов, которые регулируют этот процесс является далеко не удовлетворительным. Множество теорий, чтобы описывать Ветер волна поколения были предложены за годы^1,2,3,4, однако их надежная экспериментальная проверка еще не доступен. Чрезвычайно сложной из-за непредсказуемых ветер, что может быстро меняться в направлении, как хорошо величины измерения случайных Ветер волны в океане. Лабораторные эксперименты имеют преимущество контролируемых условий, позволяющих продолжительное и повторяемости измерений.

В устойчивый ветер, заставляя в лабораторной среде Ветер волны развиваться в пространстве. Ранние лабораторных экспериментов на волнах под устойчивый заставляя выполняется несколько десятилетий назад были ограничены мгновенной поверхности фасада измерений^5,6,,78. Более недавние исследования также работу различных оптических методов измерения поверхности угол мгновенно воды, такие как МСУ^9,10. Эти измерения позволили получить некоторые ограниченные качественную информацию о трехмерной структуры Ветер волновых полей. Когда ветер заставляя нестабильно, как это в полевых экспериментов, дополнительные сложности представлен к проблеме воды волны возбуждения ветер, поскольку статистические параметры результирующего поля волны различаются не только в пространстве, но в времени также. Попытки пока качественно и количественно описать эволюции структуры волны под время зависимых заставляя были лишь частично успешными^{11,12,13,14 , 15 , 16}. относительный вклад различных вероятных физические механизмы, которые могут привести к возбуждению и рост волны из-за ветра действий остается неизвестным.

Наш экспериментальный центр был разработан с целью включение накопление точной и разнообразной статистической информации о вариации характеристик поля Ветер волны под либо заставив устойчивый или нестационарных ветер. Два основных фактора способствовали реализации этих подробных исследований. Во-первых скромный размер объекта результатов в относительно короткий характерный эволюции весы во времени и пространстве. Во-вторых всего эксперимента полностью контролируется компьютером, таким образом обеспечивая производительность экспериментальные запуски различных экспериментальных условиях автоматически и практически без вмешательства человека. Эти особенности экспериментальной установки имеют решающее значение при выполнении экспериментов на волнах взволнован от остальных импульсивный ветром.

Пространственного роста Ветер-волн под устойчивый заставляя изучалось в нашем учреждении для диапазона скоростей ветра¹⁷. Результаты были сопоставлены с оценки темпы роста, основанные на теории¹⁸ км, представленный завод¹⁹. Сравнение показало, что экспериментальные результаты отличаются особенно от теоретических прогнозов. Дополнительные важные параметры были также полученные в¹⁷, таких как падение среднего давления в раздел теста, а также абсолютные значения и фазы колебаний характерным статического давления. Касательное напряжение на воздух вода интерфейс имеет важное значение для характеристики передачи импульса и энергии между Ветер и волны^17,19. Таким образом подробные измерения логарифмической пограничного слоя и турбулентного колебания воздушного потока над водой волны были исполнены на многочисленных выборки и ветер скорости²⁰. Для получения безразмерные статистических параметров ветра-волны измеряется в наш фонд²¹были использованы значения трения скорости u_* на воздух вода интерфейс определяется в настоящем исследовании. Эти значения были сопоставлены с соответствующими безразмерные параметры, полученные в крупных экспериментальных установок и полевых экспериментов. Это было продемонстрировано ранее²¹ что с правильного масштабирования, важные характеристики ветра волнового поля, полученные в нашем мелких объекте существенно не отличается от соответствующих данных накапливается в больших лаборатории установок и измерениям открытое море. Эти параметры включают пространственного роста представительных волны высоты и длины волны, форма частотного спектра поверхности фасада, а также значения выше статистических моментов.

Последующие исследования, проведенные в нашем объекте^22,23 показал, что ветровые волны являются по существу случайными и трехмерные. Чтобы получить лучшее понимание 3D структура ветровых волн, была предпринята попытка для выполнения количественных измерений время зависимых поверхности фасада воды через расширенную область с помощью стерео видео изображений²². Из-за неадекватной компьютерные мощности доступны в настоящее время и обработки алгоритмов, которые еще не являются достаточно эффективными эти попытки оказались лишь частично успешными. Однако было продемонстрировано, что совместное использование обычных емкости типа волны датчика и МСУ предоставляет ценную информацию о пространственной структуре ветровых волн. Одновременное применение обоих этих документов позволяет независимым измерения с высоким временным разрешением мгновенной поверхности фасада и двух компонентов мгновенной поверхности склона²³. Эти измерения позволяют оценки доминирующей частоты и доминирующей волновой длины волны, а также обеспечивая понимание волновой структуры в направлении нормали к ветру. Трубка Пито, которая может перемещаться вертикально компьютерным управлением двигателем, дополняет набор датчиков и используется для измерения скорости ветра.

Все эти исследования, четко, что случайности и трехмерность ветра, волн, привести к значительной изменчивости измеренных параметров даже постоянный ветер принуждение и одного измерения местоположения. Таким образом продлен измерения с длительностью, соизмеримые с характерным временем шкал измерения волнового поля необходимо накопить достаточную информацию для получения надежных статистических величин. Чтобы получить ценную физическим в механизмы, регулирующие пространственной вариации поля волны, крайне важно проводить измерения в различных точках и для как много значений скорости потока ветра как можно в разделе тест. Для достижения этой цели, весьма желательно таким образом применять автоматизированные экспериментальной процедуры.

Эксперименты на волнах возбужденных, заставляя нестационарных Ветер ввести дополнительный уровень сложности. В таких исследованиях важно связать мгновенной измеряемых параметров до уровня мгновенной скорости ветра. Рассмотрим эксперименты на волнах взволнован от остальной заставив почти импульсивный ветра как важный пример. В этом случае многочисленные независимые измерения необходимо Ветер волнового поля развивается под действием ветра, который меняется во времени после же установленный шаблон²⁴. Значимых статистических параметров, выраженные как функцию от времени прошло с момента начала потока воздуха, затем рассчитываются путем усреднения данных, извлеченных из накопленного ансамбль независимых реализаций. Это обязательство может включать десятки и сотни часов непрерывного отбора проб. Общая продолжительность экспериментальных сессий, необходимых для выполнения такого амбициозная задача делает весь подход неосуществимым, если эксперимент полностью автоматизирован. Нет такой полностью компьютеризированная экспериментальной процедуры в Ветер волны зал был разработан до недавнего времени. Что является одной из главных причин для отсутствия надежных статистических данных о ветровых волн под нестационарных принуждение.

Поскольку объект, используемый для эксперимента не построены из коммерчески доступных, готовых аппаратных, приводится краткое описание его основных частей здесь.

Рисунок 1. Схема (не в масштабе) вид экспериментальный центр. 1 - Вентилятор; 2 - приток урегулирования камеры; 3 - отток урегулирования камеры; 4 - глушитель коробки; 5 - раздел теста; с 6 - пляж; 7 - теплообменник; 8 - сот; 9 - сопло; 10 - wavemaker; 11 - заслонки; 12 - инструмент перевозки; 13 - волны датчика обусловлен шагового двигателя; 14 - трубка Пито управляется шаговым двигателем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Экспериментальный центр состоит из замкнутых аэродинамической смонтированном волна танк (Схематический вид показан на рис. 1). Раздел теста является глубоко 5 м длиной, шириной 0,4 м и 0,5 м. Боковые стенки и пол изготовлены из пластин стекла толщиной 6 мм и заключены в рамку из алюминиевых профилей. 40 см длиной заслонки обеспечивает плавное расширение поперечного сечения потока воздуха от сопла к поверхности воды. Волна энергопоглощающие пляж из пористых упаковочного материала находится в дальнем конце бака. Воздуходувки, управляемая компьютером позволяет достичь среднюю скорость воздушного потока в разделе тест до 15 м/сек.

На заказ емкость тип датчика 100 мм длиной волны изготовлен из анодированного тантал. 0.3 мм провод монтируется на вертикальной этап, движимый PC-контролируемых шагового двигателя, предназначенные для калибровки датчика волны. Трубка Пито с диаметром 3 мм используется для измерения динамического давления в Центральной воздуха части раздела тестирования.

МСУ, измерение мгновенных 2D воды поверхность склона, устанавливается на раму, отделен от секции теста, которые могут располагаться в любом месте вдоль бака (рис. 2). LSG состоит из четырех основных частей: лазерный диод, линза Френеля, диффузионные экрана и Ассамблеи позицию зондирования детектор (PSD). Лазерный диод генерирует 650 Нм (красный), 200 МВт фокусируемый луч лазера с диаметром около 0,5 мм. 26,4 см диаметр линзы Френеля с фокусным расстоянием 22.86 см направляет входящие лазерный луч на 25 x 25 см² диффузионное экран находится в обратно фокальной плоскости объектива.

Рисунок 2. Схематическое представление лазерного датчика наклона (МСУ). 1 - лазерный диод; 2 - линза Френеля; 3 - диффузионного экран; 4 - позиционный датчик детектора (PSD). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Этот протокол описывает процедуру, которая позволяет выполнять эксперименты, в которых многочисленные параметры, характеризующие нестационарных волн измеряются одновременно под Ветер время зависимых принуждение. Процедура может настраиваться для любого желаемого зависимость скорости ветра на время, которое может быть достигнуто ввиду технических ограничений экспериментальный центр. Настоящий Протокол описывает специально эксперименты, в которых в каждой реализации, ветер начинает почти импульсивно над первоначально спокойной водой. Стабильный ветер, затем заставляя длится достаточно долго, что ветер волнового поля везде в разделе тест достигает квазистатических государства. Ветер в конечном итоге закрыта вниз, снова почти импульсивно. На всех этапах записал несколько параметров волн. Процедура, которая позволяет вычисления многочисленных статистически репрезентативной ансамбль в среднем величин, характеризующих мгновенных местных Ветер волнового поля — Роман и был разработан в ходе недавних экспериментов, проведенных в нашем объекте ^{22 , 23 , 24}.

протокол

1. система подготовки

1. Заполните резервуар водопроводной водой до на глубину около 20 см для глубоководных условие; Чистота поверхности любых загрязнений, которые могут повлиять на поверхностное натяжение воды.
2. Позиция документ перевозки на требуемой выборки.
   1. Маунт Пито трубки и расположите его в центре воздуха части раздела тестирования.
   2. Смонтируйте волны датчика на контролируемой компьютером вертикальной этап для включения его статические калибровки.
3. Позицию Ассамблеи МСУ на требуемой выборки и боковое расстояние около 7 см от волны датчика для устранения помех волны калибровочных Ассамблеи с оптического пути.
   Примечание: Рекомендуется использовать непрозрачный занавес для предотвращения воздействия PSD для рассеянного света, а также для защиты окружающей среды от паразитных отражений лазерного луча.
   1. Выравнивание лазера, расположены ниже резервуар для воды так, чтобы луч направлен вертикально и сфокусировать луч.
   2. Положение линзы Френеля в разделе тест как можно выше поверхности воды, чтобы свести к минимуму объектив нарушение воздушного потока.
   3. Убедитесь, что деформированного лазерный луч хитов объектива в его центральной части в условиях экстремальных ветер, запланированных в экспериментальной сессии.
   4. Смонтировать диффузионное экрана точно в фокальной плоскости объектива, а затем проверить горизонтальное и вертикальное выравнивание объектива и на экране.
   5. Убедитесь, что любые две параллельные вертикальные лазерные лучи ударил диффузионное экрана точно в центре когда поверхности воды до сих пор.
      Примечание: Это может испытываться с использованием двух идентичных лазеров, расположены на некотором расстоянии друг от друга.
   6. Расположите PSD, убедившись, что вся область диффузионное экрана находится в пределах области эффективного детектора. Выполнения фокусировки объектива PSD, регулируя настройки объектива для фактического расстояния между объективом и на экране.

2. Калибровка и эксплуатации датчиков

1. Калибровка датчика волны
   1. Калибровки датчика волны для каждого измерения местоположения и каждой скорости максимальный ветер ожидается в экспериментальный запуск.
      1. Установите вертикальное положение датчика, так что средний уровень воды находится примерно в середине длины зондирования провода.
      2. Установите скорость вентилятора на нужное значение и позволяют ветер дуть неуклонно достаточно долгое время (2-3 мин).
      3. С помощью осциллографа, вручную отрегулируйте чувствительность, усиление и смещение волны датчика с помощью блока кондиционера для обеспечения значения напряжения, соответствующие высоким гребнем и низкие корыта, ожидается в волнового поля в диапазоне A/D преобразователь (+ /-10 V).
      4. Завершите работу воздуходувки на несколько минут, пока поверхность воды становится совершенно спокойно.
      5. Убедитесь, что погруженной длина находится в пределах ожидаемого максимального гребень и значения корыта, перемещая волны датчика вертикально.
      6. Выполнить автоматическую калибровку датчика волны, с помощью обычной по индивидуальному заказу в стоячей воде погружение датчика на количество указанной глубины и запись вывода среднего напряжения во время 5 s для каждой глубины.
      7. Установите квадратичной калибровки Полиномиальные записанные данные для получения H(V), где H -глубина погружения (соответствующий к мгновенной поверхности фасада), как функция датчик выходного напряжения Взависимости.
      8. Визуально проверьте качество оборудованная калибровки полином (рис. 3).

Рисунок 3. Калибровочная кривая волны датчика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

2. Калибровка и наладка МСУ
   1. Проверьте производительность LSG после каждого перемещения датчика Ассамблеи.
      1. С помощью prism оптический клин, помещены на листе горизонтальной стекла, отклоняться лазерный луч относительно оптической оси, имитирующие известные воды поверхности откоса.
      2. Образец PSD выводит пятна на экране диффузно, с помощью осциллографа или приобретение программы под заказ данных наклонно лазерного луча.
      3. Вычислить угол отклонения луча и склон от измеренных координат лазерный луч пятно координат; Сравните результат с углом известных клина.
      4. Повторите эту процедуру для нескольких углов отклонения, используя один или несколько призмы.
         Примечание: Клин призмы с углами отклонения от 2,5 ° до 17,5 ° были использованы; Если тест не удается из-за рассогласования PSD с диффузно экрана, настройте PSD вручную, для устранения смещения. Эта процедура выполняется вручную с использованием 2D горизонтальный перевод этапа и уровня и очень много времени.
   2. Проверка линейности PSD и калибровки процедуры
      1. Поместите равноудаленных сетки, которая была напечатана на прозрачный лист на экране диффузионные и ориентировать ее таким образом, чтобы ее осей x и y, выровнены с вниз и крест направления ветра, соответственно (рис. 4).
         Примечание: Сетки облегчает направляя луч лазера до желаемого места на экране, диффузионные удобно и точно с помощью набора призмы или перемещение лазер ниже диффузионное экрана в направлениях вдоль ветра и боковом ветре.
      2. Используя набор призм, отвлечь вертикальный лазерный луч для получения нескольких радиального позиции пятно на экране диффузионного лазерного луча при сохранении постоянной азимутальный угол.
         Примечание: Разрешение 1 см и максимальным радиусом 7 см используется для каждого из 9 азимутальные углы.
      3. Переместите пятно лазера на несколько позиций в x-направлении, сохраняя y координировать константу, а затем изменить направление движения на yи держать x постоянной.
         Примечание: Диапазон и используемое разрешение аналогичны из предыдущего раздела.
      4. Соберите около 50 точек в сетке в каждой калибровки.
         Примечание: Лазерный луч пятно координаты усваиваются PSD и оцениваются с помощью стандартного 2 канальный осциллограф подключен к PSD.
         1. Для каждого направления использования линейных данных подогнать выход калибровочные коэффициенты для преобразования координаты лазерного луча на датчик PSD в соответствующие координаты на экране диффузно.
            Примечание: Пример калибровки PSD строится на рисунке 5 для набора точек, принятых вдоль осевой линии раздела тестирования. Реакция датчика и таким образом калибровочные коэффициенты, почти идентичны во всех направлениях, когда оси диффузионное экраном и датчиком выровнены должным образом. Сетке облегчает процесс калибровки, позволяя легко определение координат склона лазер на экране диффузно.

Рисунок 4. Диффузионное сетки экрана. Сетке облегчает, направляя лазерный луч для желаемого места на экране, диффузионные удобно и точно, либо с помощью набора призмы или переезд вдоль ветра лазер ниже диффузионное экрана и поперечной направления , пожалуйста, нажмите здесь для Увеличенная версия этой фигуры.

Рисунок 5. PSD Калибровочная кривая. На рисунке показано, что перевод PSD выходных напряжений в точке с координатами дает адекватные результаты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

3. экспериментальной процедуры и сбора данных

Примечание: Смотрите Дополнительные рисунок 1 для пользовательского интерфейса, используемых в следующих шагах.

1. Задать частоту воздуходувка с помощью заказных программы пользовательского интерфейса.
   Примечание: Почти поэтапное увеличение скорости ветра над первоначально ненарушенных водной поверхности был применен, следуют устойчивый воздушный поток ставки на определенный срок (120 s), и почти импульсивный завершает работу воздуходувки.
2. Определите количество различных устойчивый ветра скоростью потока и параметры необходимые воздуходувки.
3. Настройте параметры датчика давления в ожидаемый диапазон вариаций динамического давления, обнаруженных трубка Пито.
4. Убедитесь, что в начале каждой реализации, ветра нет и поверхность воды спокойно (Зеркало гладкой). Начало сбора данных синхронно с операцией воздуходувки.
5. Запись мгновенной поверхности фасада, поверхность склона компонентов в вдоль-Кроссвинд направления, Пито трубки выходного контроля скорости средний ветер U, и оценить изменения напряжения от воздуходувки контроллера в предписанные выборки () 300 Гц/канал использовались).
   Примечание: Напряжения от волны калибруйте приобретена программа автоматически преобразуется в поверхности фасада с помощью коэффициентов калибровки от fit, представлен на рисунке 3.
6. Продолжать выборки достаточно времени для записи распадаясь волнового поля после выключения вентилятора.
7. По завершении отбора проб убедитесь, что автоматическое экспериментальная процедура позволяет достаточное время (в зависимости от системы) довести поверхность воды для ненарушенных состояние до начала следующего запуска.
8. Сохраните все данные, записанные для последующей обработки.
9. Выполните предписанные количество реализаций (обычно 100 независимых запусков были обнаружены достаточно).
10. Вычислите ансамбль усредненные параметры записанных данных, как функции времени прошло с момента начала воздуходувки.
11. Повторите всю процедуру для следующего параметра воздуходувка, соответствующий выбранной целевой скорости ветра в разделе тест.

Результаты

Представитель ансамбль усредненные результаты выводятся в Рисунок 6и рис. 7, Рисунок 8. Изменения значений RMS мгновенной поверхности фасада <η²>^1/2 , что характеризует амплитуда случайных ветров...

Обсуждение

Настоящий экспериментальный протокол направлен на количественной характеристики волнового поля под заставляя нестационарных ветер, который развивается во времени и пространстве. Поскольку Ветер волны являются по существу случайными и трехмерные и таким образом быстро изменяться в?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
PSD	THORLABS	PDP90A
Laser Diode			any laser pointer ≤ 200 mW
Aspheric Fresnel Lens	EDMUND OPTICS	#46-390	Diameter 10.4'', Focal length 9''
Wave-gauge			custom made
Pressure Transducer	MAMAC SYSTEMS	PR-274-R2-VDC
Signal Conditioner			custom made
Diffusive screen	EDMUND OPTICS	#02-147
Water tank			custome made
A/D card PCI-6221	National Instruments	779066-01
Pitot tube	KIMO Instruments	12971
15° Nom. VIS-NIR Coated, Wedge Prism	EDMUND OPTICS	#47-624
10° Nom. VIS 0° Coated, Wedge Prism	EDMUND OPTICS	#49-444
2.5° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated	EDMUND OPTICS	#84-863
4° Nom. Uncoated, Wedge Prism	EDMUND OPTICS	#43-650
5.0° Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated	EDMUND OPTICS	#84-865
LabView Full Development System	National Instruments	776670-35