Name: measurements of waves in a wind-wave tank under steady and time-varying wind forcing
Uploaded: 2018-02-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 54 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, גרנט 306/15.

1. הכנת המערכת
<ol><li>למלא את המיכל עם מי ברז עד לעומק של-20 ס מ כדי לספק תנאי שמאכלסת; לנקות את המשטח של כל מזהמים שעשויים להשפיע על מתח הפנים של המים.</li>
	<li>מקם את הכרכרה מכשיר הבא הרצוי.<ol>
<li>הר צינור פיטו ומקם אותה במרכז החלק זרימת האוויר של סעיף מבחן.</li>
		<li>הר מד גל על הבמה אנכי מבוקר-מחשב כדי לאפשר את הכיול סטטי.</li>
	</ol>
</li>
	<li>מיקום ההרכבה LSG הבא הרצויה ועל המרחק לרוחב של-7 ס מ מד גל כדי למנוע הפרעה של הגל מד הרכבה עם השביל אופטי. הערה: השימוש וילון אטום מומלץ כדי למנוע את חשיפת PSD אור מקיף, כמו גם כדי להגן על הסביבה מפני כדין השתקפויות של קרן הלייזר.<ol>
<li>יישור הלייזר ממוקם מתחת למיכל המים כך הקורה מכוונת אנכית, ממקדים את הקרן.</li>
		<li>מיקום עדשת פרנל בתוך סעיף מבחן גבוה ככל האפשר מעל פני המים כדי למזער את ההפרעה של העדשה של זרימת האויר.</li>
		<li>ודא כי קרן הלייזר הסיט מכה את העדשה בחלקה המרכזי בתנאים קיצוניים רוח מתוכנן במהלך הפעלה ניסיונית.</li>
		<li>הר המסך המפזרת בדיוק במישור המוקד של העדשה ולאחר מכן בדוק את היישור האופקי והאנכי של העדשה והן על המסך.</li>
		<li>ודא כי כל קרני לייזר אנכיים מקבילים שני. תזיז את המסך המפזרת בדיוק במרכז כאשר פני המים עדיין. הערה: ניתן לבדוק באמצעות לייזרים זהים שני מוצבים במרחק אחד מהשני.</li>
		<li>מקם את PSD מוודא כי כל האזור של המסך המתפשט בתוך שטח אפקטיבי של הגלאי. לבצע מיקוד של העדשה PSD על-ידי התאמת ההגדרות עדשה המרחקים הממשיים בין העדשה ואת המסך.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. כיול ותפעול של חיישנים
<ol><li>
כיול של מד גל
	<ol>
<li>לבצע כיול מד גל עבור כל מיקום המדידה ואת כל מהירות הרוח המקסימלי הצפוי בטווח ניסיוני.<ol>
<li>הגדר את המיקום האנכי של החיישן כך מפלס המים כלומר הרוחבי האורך של החוטים חישה.</li>
			<li>להגדיר את מהירות מפוח לערך הרצוי, ולאפשר את הרוח להתפוצץ בהתמדה במשך זמן רב מספיק (2-3 דקות).</li>
			<li>באמצעות אוסצילוסקופ, להתאים ידנית ורגישות, רווח ולאחר קיזוז של מד גל באמצעות יחידת מזגן כדי להבטיח כי הערכים מתח המתאים הפסגה הגבוהה ביותר, את השוקת הנמוך הצפוי בשטח גל בטווח של A/D ממיר (+ /-10 V).</li>
			<li>סגור את המצלצל במשך מספר דקות, עד פני המים הופך לחלוטין ללא הפרעה.</li>
			<li>ודא האורך המשוקע הוא בתוך קרסט המקסימלי הצפוי שוקת ערכים על-ידי הזזת הגל לאמוד בצורה אנכית.</li>
			<li>לבצע כיול אוטומטי של מד גל שימוש שגרתי בהזמנה אישית בהמים עדיין השוקע מד במספר העומקים שצוינו והקלטת את הפלט מתח כלומר במהלך 5 s עבור כל עומק.</li>
			<li>מתאים כיול ריבועית פולינום בנתונים מוקלטות כדי להשיג את התלות H(V), H איפה העומק שירידות (תואם גובה פני השטח מיידי), כפונקציה של מד מתח V.</li>
			<li>בדוק חזותית איכות מצויד הכיול פולינומיאלי (איור 3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig3.jpg"> איור 3. עקומת כיול מד גל. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<ol start="2"><li>
כיול וכוונון LSG
	<ol>
<li>ודא את הביצועים של LSG לאחר כל העקירה של ההרכבה חיישן.<ol>
<li>שימוש של פריזמה טריז אופטי על גיליון זכוכית אופקי, לסטות קרן הלייזר ביחס לציר האופטי להדמיית מדרון משטח המים הידועים.</li>
			<li>לדוגמה PSD פלטי קרן הלייזר סטיה נקודה על המסך דיפוזיה באמצעות תנודות או תוכנית רכישת נתונים לפי הזמנה.</li>
			<li>לחישוב הזווית סטיה קרן, המדרון מ הקואורדינטה קרן לייזר קואורדינטות נמדד ספוט; השווה את התוצאה עם הזווית טריז ידוע.</li>
			<li>חזור על הפעולות לכל מספר זוויות סטיה באמצעות אחד או יותר מינסרתיים. הערה: טריז מנסרות עם זוויות סטיה ועד 2.5° 17.5° שימשו; אם הבדיקה נכשלה עקב אי-התאמות של PSD עם המסך המפזרת, להתאים את PSD באופן ידני, לתיקון אי-התאמות. הליך זה מתבצע באופן ידני באמצעות שלב 2D הזזות אפקיות ורמת, זמן רב מאוד.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
אימות של ליניאריות של הליך PSD וכיול
		<ol>
<li>למקם את רשת המרווחות באופן שווה זה הודפס על סדין שקוף על המסך המפזרת, אוריינט זה כך שלה צירים, x ו- y, מיושרים עם למטה, לחצות כיווני רוחות, בהתאמה (איור 4). הערה: הרשת מאפשר לכוון את קרן הלייזר למקומות הרצויים על המסך המפזרת בנוחות במדויק באמצעות קבוצת מנסרות או הזזת הלייזר מתחת למסך המפזרת הכיוונים לאורך-רוח, הצולבת.</li>
			<li>שימוש בערכת מנסרות, להסיט את קרן הלייזר אנכי כדי לקבל מספר עמדות רדיאלי של קרן הלייזר נקודה על המסך המפזרת תוך שמירה על זווית azimuthal קבוע. הערה: ברזולוציה של 1 ס מ ו- radius מקסימלי של 7 ס מ משמש עבור כל אחת הזוויות azimuthal 9.</li>
			<li>להזיז את הנקודה לייזר למיקומים מרובים ב- x-כיוון, תוך שמירה על y לתאם הקבוע, לשנות את הכיוון של התנועה ל- y, ואז להמשיך את x קבוע. הערה: טווח ואת הרזולוציה שתשמש דומים לאלה מהסעיף הקודם.</li>
			<li>לאסוף כ 50 נקודות על הרשת ב כל כיול. הערה: הקואורדינטות ספוט של קרן לייזר נרכשים על ידי PSD, להעריך באמצעות אוסצילוסקופ בשני ערוצים רגיל מחובר של PSD.<ol>
<li>לכל כיוון, שימוש ליניארי מתאים של הנתונים להניב מקדמי כיול כדי להמיר את הקואורדינטות של קרן הלייזר על החיישן PSD הקואורדינטות המתאים על המסך דיפוזיה. הערה: דוגמה של הכיול PSD מותווית באיור 5 סדרה של נקודות לאורך האמצע של סעיף מבחן. התגובה של החיישן, ובכך מקדמי כיול, הוא כמעט זהה בכל הכיוונים כאשר הצירים של המסך המפזרת, החיישן מיושרים כהלכה. הרשת מקלה על ההליך כיול, המאפשר קביעת קל של הקואורדינטות מדרון לייזר על המסך דיפוזיה.</li>
			</ol>
</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig4.jpg"> באיור 4. הרשת מסך המפזרת. הרשת מקלה בבימוי קרן הלייזר למקומות הרצויים על המסך המפזרת בנוחות ובצורה מדויקת, או באמצעות קבוצת מנסרות או לגור הלייזר מתחת למסך המתפשט לאורך-רוח, הצולבת כיוונים <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig4large.jpg" target="_blank">לחץ כאן הצג גרסה גדולה יותר של הדמות הזו.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig5.jpg"> איור 5. עקומת כיול PSD. האיור מדגים התרגום של PSD פלט מתחים כדי קואורדינטות מניב תוצאות נאותה. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
3. ניסויי ורכישה נתונים
הערה: ראה איור משלים 1 עבור ממשק המשתמש של שימוש בשלבים הבאים.
<ol><li>הגדרת תדירות מפוח באמצעות ממשק משתמש תוכנית לפי הזמנה. הערה: כמעט stepwise עליית מדד את מהירות הרוח על פני המים בתחילה ללא הפרעה היה מוחל, ואחריו קצב זרימת אוויר קבועה עבור משך זמן שנקבע (120 s), אימפולסיבי כמעט כבה של מתקשרים.</li>
	<li>לקבוע את מספר שיעורי זרימת רוח יציב שונים והגדרות מפוח חובה.</li>
	<li>התאם את הגדרות מתמר לחץ על הטווח הצפוי של וריאציות לחץ דינמי זוהה על ידי צינור פיטו.</li>
	<li>ודא כי בתחילת כל מימוש, אין רוח, פני המים ויש ללא הפרעה (ראי חלקה). להתחיל הנתונים באופן סינכרוני עם המבצע של מתקשרים.</li>
	<li>להקליט את גובה פני השטח מיידי, מדרון משטח הרכיבים השונים לאורך-כיוונים הצולבת, צינור פיטו פלט ניטור של מהירות הרוח רעה U, ואת וריאציית מתח מבקר מפוח הדגימה שנקבע שיעור ( 300 הרץ/ערוץ שימשו). הערה: המתח של גל-מד שנרכשה על-ידי התוכנית מומרת באופן אוטומטי את גובה פני השטח באמצעות מקדמי כיול של התאם המוצג באיור3.</li>
	<li>המשך דגימה עבור מספיק זמן כדי להקליט את השדה גל רקובה לאחר הכיבוי של מתקשרים.</li>
	<li>עם סיומו של הדגימה, ודא כי ההליך ניסיוני אוטומטי מאפשר מספיק זמן (תלוי במערכת) להביא את פני המים למצב ללא הפרעה לפני אתחול של הפעלה הבאה.</li>
	<li>לשמור את כל הנתונים מוקלטות עבור עיבוד עוקבות.</li>
	<li>לבצע את המספר הקבוע של מימושים (בדרך כלל 100 פועל עצמאית נמצאו מספיק).</li>
	<li>חשב את הפרמטרים בממוצע-אנסמבל של נתוני ההקלטות כפי פונקציה של הזמן שחלף מאז אתחול של מתקשרים.</li>
	<li>חזור על כל התהליך עבור ההגדרה הבאה של מתקשרים התואם מהירות הרוח היעד הנבחר בסעיף מבחן.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Sir William Thomson, F. R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrokinetic+solutions+and+observations.">Hydrokinetic solutions and observations.</a> Philosophical Magazine. 42, 362-377 (1871).</li><li>Jeffreys, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+formation+of+water+waves+by+wind.">On the formation of water waves by wind.</a> Proc. Roy. Soc. London Ser. A. 107, 189-206 (1925).</li><li>Miles, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+generation+of+surface+waves+by+shear+flows.">On the generation of surface waves by shear flows.</a> J. Fluid Mech. 3 (2), 185-204 (1957).</li><li>Phillips, O. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+generation+of+waves+by+turbulent+wind.">On the generation of waves by turbulent wind.</a> J. Fluid Mech. 2 (5), 417-445 (1957).</li><li>Plate, E. J., Chang, P. C., Hidy, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+generation+of+small+water+waves+by+wind.">Experiments on the generation of small water waves by wind.</a> J. Fluid Mech. 35 (4), 625-656 (1969).</li><li>Mitsuyasu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+growth+of+the+spectrum+of+wind-generated+waves+I.">On the growth of the spectrum of wind-generated waves I.</a> Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu Univ. 16 (55), 459-482 (1968).</li><li>Toba, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+balance+in+the+air-sea+boundary+processes,+I.+On+the+growth+process+of+wind+waves.">Local balance in the air-sea boundary processes, I. On the growth process of wind waves.</a> J. Oceanog. Soc. Japan. 28, 109-120 (1972).</li><li>Toba, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+balance+in+the+air-sea+boundary+processes.+III.+On+the+spectrum+of+wind+waves.">Local balance in the air-sea boundary processes. III. On the spectrum of wind waves.</a> J. Oceanogr. Soc. Japan. 29, 209-220 (1973).</li><li>Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency-wavenumber+spectrum+of+wind-generated+gravity-capillary+waves.">Frequency-wavenumber spectrum of wind-generated gravity-capillary waves.</a> J. Geoph. Res. 102, 1061-1072 (1997).</li><li>Caulliez, G., Gu&#233;rin, C. -. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Higher-order+statistical+analysis+of+short+wind+wave+fields.">Higher-order statistical analysis of short wind wave fields.</a> J. Geophys. Res. 117, C06002 (2012).</li><li>Mitsuyasu, H., Rikiishi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+growth+of+duration-limited+wind+waves.">The growth of duration-limited wind waves.</a> J. Fluid Mech. 85, 705-730 (1978).</li><li>Kawai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+initial+wavelets+by+instability+of+a+coupled+shear+flow+and+their+evolution+to+wind+waves.">Generation of initial wavelets by instability of a coupled shear flow and their evolution to wind waves.</a> J. Fluid Mech. 93 (4), 661-703 (1979).</li><li>Waseda, T., Toba, Y., Tulin, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adjustment+of+wind+waves+to+sudden+changes+of+wind+speed.">Adjustment of wind waves to sudden changes of wind speed.</a> J. Oceanography. 57, 519-533 (2001).</li><li>Uz, B. M., Hara, T., Bock, E. J., Donelan, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+observations+of+gravity-capillary+waves+under+transient+wind+forcing.">Laboratory observations of gravity-capillary waves under transient wind forcing.</a> J. Geophys. Res.: Oceans. 108 (C2), (2003).</li><li>Hwang, P. A., Wang, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field+measurements+of+duration-limited+growth+of+wind-generated+ocean+surface+waves+at+young+stage+of+development.">Field measurements of duration-limited growth of wind-generated ocean surface waves at young stage of development.</a> J. Phys. Oceanogr. 34 (10), 2316-2326 (2004).</li><li>Hwang, P. A., Garc&#237;a-Nava, H., Ocampo-Torres, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observations+of+wind+wave+development+in+mixed+seas+and+unsteady+wind+forcing.">Observations of wind wave development in mixed seas and unsteady wind forcing.</a> J. Phys. Oceanogr. 41, 2340-2359 (2011).</li><li>Liberzon, D., Shemer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+of+the+initial+stages+of+wind+waves'+spatial+evolution.">Experimental study of the initial stages of wind waves' spatial evolution.</a> J. Fluid Mech. 681, 462-498 (2011).</li><li>Miles, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+generation+of+surface+waves+by+shear+flows.+Part+2.">On generation of surface waves by shear flows. Part 2.</a> J. Fluid Mech. 6 (4), 568-582 (1959).</li><li>Plant, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+relationship+between+wind+stress+and+wave+slope.">A relationship between wind stress and wave slope.</a> J. Geophys. Res. 87, 1961-1967 (1982).</li><li>Zavadsky, A., Shemer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+turbulent+air+flow+over+evolving+water-waves+in+a+wind-wave+tank.">Characterization of turbulent air flow over evolving water-waves in a wind-wave tank.</a> J. Geophys. Res. 117, C00J19 (2012).</li><li>Zavadsky, A., Liberzon, D., Shemer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistical+analysis+of+the+spatial+evolution+of+the+stationary+wind+wave+field.">Statistical analysis of the spatial evolution of the stationary wind wave field.</a> J. Phys. Oceanogr. 43, 65-79 (2013).</li><li>Zavadsky, A., Benetazzo, A., Shemer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+two-dimensional+structure+of+short+gravity+waves+in+a+wind+wave+tank.">On the two-dimensional structure of short gravity waves in a wind wave tank.</a> Phys. Fluids. 29 (1), 016601 (2017).</li><li>Zavadsky, A., Shemer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+statistical+parameters+of+the+evolving+wind+wave+field+using+Laser+Slope+Gauge.">Investigation of statistical parameters of the evolving wind wave field using Laser Slope Gauge.</a> Phys. Fluids. 29 (5), (2017).</li><li>Zavadsky, A., Shemer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+waves+excited+by+near-impulsive+wind+forcing.">Water waves excited by near-impulsive wind forcing.</a> J. Fluid Mech. , (2017).</li></ol>

לעורכים יש דבר לחשוף.

פרוטוקול הניסוי הנוכחי מכוונת אפיון כמותי של שדה גל תחת רוח לא יציב מכריח מתפתח בזמן ובמרחב. כיוון הרוח-גלים במהותו אקראי ותלת -ממדיים, ובכך להשתנות במהירות בזמן ובמרחב, רשומות של מימושים בודדים של שדה גל גדל תחת רוח תלויי-זמן אילוץ יכול לספק רק הערכות איכותי של המסדירים גל פרמטרים. כדי להש?...

מאז ימי קדם, זה היה ידוע כי גלים על משטחים מים שמחים על ידי הרוח. ההבנה הנוכחית של המנגנונים הפיזי המנהלות תהליך זה הוא רחוק מלהספיק. תיאוריות רבות מנסה לתאר גל דור הוצעו לאורך שנים1,2,3,4, אולם אימות ניסיוני אמין שלהם אינה זמינה עדיין. המידות הרוח אקראי-גלים באוקיינוס הם מאתגר ביותר בשל רוח בלתי צפויים שעשויים להשתנות במהירות לכיוון באותה מידה כמו בסולם ריכטר. ניסויי מעבדה נחמדים יש יתרון לשליטה תנאים המאפשרים מדידות זמן ממושך ולא הדיר.
תחת רוח יציב מכריח בסביבת מעבדה, רוח-גלים להתפתח בחלל. הניסויים הראשונים מעבדה על גלי תחת אילוץ יציב שבוצעה לפני עשרות שנים היו מוגבלים עד גובה פני השטח מיידי מדידות5,6,7,8. מחקרים מאוחרים יותר מועסקים גם טכניקות שונות אופטי למדידת זווית הנטייה משטח מים מיידי, כגון LSG9,10. מדידות אלה מותר להזדיין מוגבלת מידע איכותי על מבנה תלת ממדי של שדות גל. כאשר הרוח מכריח היא יציבה, כפי שהיא שדה ניסויים, מורכבות נוספת הוא הציג לבעיה של עירור של גלי מים על ידי הרוח, מאז פרמטרים סטטיסטיים של שדה גל המתקבל משתנים לא רק בחלל אך בבוא העת גם כן. הניסיונות שנעשו עד כה כדי לתאר דפוסי ההתפתחות גל איכותית, באופן כמותי תחת תלויי-זמן מכריח היו רק הצלחה חלקית11,12,13,14 , 15 , 16. התרומה היחסית של מנגנונים שונים פיזי סביר שעשוי להוביל עירור וצמיחה של גלי עקב פעולה רוח ידוע בעיקר.
במתקן ניסיוני שלנו תוכנן במטרה מאפשר ההצטברות של מידע סטטיסטי מדויק ומגוון על וריאציה של גל ים-מאפייני שדה תחת רוח יציב או לא יציב או אילוץ. שני גורמים עיקריים הקלה בביצוע מחקרים אלה נתונים היסטוריים. ראשית, גודל צנוע של התוצאות מתקן באבולוציה האופיינית קצר יחסית אומד בזמן ובמרחב. שנית, הניסוי כולו נשלטת במלואה על ידי מחשב, ובכך מאפשר את הביצועים של מסלולי הניסוי בתנאים שונים ניסיוני כמעט באופן אוטומטי ללא התערבות אנושית. תכונות אלה של הסידור ניסיוני בעלות חשיבות מכרעת בביצוע ניסויים על גלי נרגשת בין השאר על ידי הרוח אימפולסיבי.
הצמיחה המרחבי של גלי רוח תחת אילוץ יציב נחקרה במתקן שלנו עבור טווח המהירויות ' רוח '17. התוצאות הושוו עם הערכות קצב הצמיחה מבוסס על תיאוריה18 Miles, כפי שהוצגו על ידי הצמח19. ההשוואה חשף כי תוצאות ניסויים שונים ובמיוחד תחזיות תיאורטיות. פרמטרים חשובים נוספים היו גם שהושג ב17, כגון לחץ כלומר ירידה סעיף מבחן, וכן הערכים המוחלטים של שלבים של תנודות האופיינית לחץ סטטי. גזירה על הממשק אוויר מים חיוני עבור אפיון של העברת תנע ואנרגיה בין17,של רוח וגלים -19. לכן, מפורט מדידות של השכבה גבול לוגריתמי ותנודות סוערים בזרימת האוויר מעל המים גלים בוצעו ב fetches רבים ורוח מהירויות20. ערכי החיכוך מהירות u* -הממשק מים אוויר נקבע במחקר זה שימשו כדי לקבל פרמטרים סטטיסטיים שהוא של הגלים-הרוח נמדד שלנו מתקן21. ערכים אלה הושוו עם הפרמטרים שהוא המקביל בשנת התקנות ניסיוני גדולות, שדה ניסויים. הוכח בעבר21 כי עם קנה המידה הנכון, המאפיינים החשובים של השדה גל שהושג במתקן בקנה מידה קטן שלנו לא נבדלים באופן משמעותי הנתונים המתאימים שנצבר במעבדה גדול יותר התקנות ומדידות לים הפתוח. פרמטרים אלה כוללים גידול המרחבי של גובה הגל נציג, אורך הגל, הצורה של הספקטרום תדר של גובה פני השטח, כמו גם את הערכים של רגעים סטטיסטית גבוהה יותר.
המחקרים הבאים ביצעה22,שלנו מתקן23 הראה כי רוח גלים הם בעיקרו של דבר אקראי ותלת -ממדיים. כדי לקבל תובנה טובה יותר לתוך מבנה תלת-ממדי של גלי הרוח, נעשה ניסיון לבצע מדידות כמותיים תלויי-זמן של גובה פני המים על פני שטח מורחבים באמצעות דימות סטריאו וידאו22. בגלל אספקת החשמל למחשב לקוי לרשותכם הנוכחי, בעיבוד אלגוריתמים שאינם עדיין מספיק יעיל, ניסיונות אלה התבררה רק הצלחה חלקית. עם זאת, הוכח כי שימוש משולב לאמוד גל קיבוליות קונבנציונלי-סוג של LSG מספק מידע חשוב על המבנה המרחבי של גלי הרוח. היישום בו זמנית של שני כלים אלה מאפשר מדידות עצמאי עם רזולוציה טמפורלית גבוהה של גובה פני השטח מיידי ושל שני מרכיביה של מדרון משטח מיידי23. מדידות אלה מאפשרות אומדן הן דומיננטי תדירות, אורך הגל הדומיננטי של הגלים, כמו גם מתן תובנה המבנה הגלי בכיוון נורמלית ברוח. צינור פיטו, אשר ניתן להעביר אנכית על ידי מנוע מבוקרת מחשב, משלים את ערכת חיישנים ומשמש למדידות של מהירות הרוח.
כל מחקרים אלה הבהיר תוצרת אקראיות, אתמהא הרוח גלים לגרום משמעותי השתנות הפרמטרים נמדד גם עבור יציב הרוח מכריח, מיקום המדידה יחיד. לפיכך, ממושך מדידות עם משך בקנה אחד עם הזמן האופייני סולמות של השדה גל נמדד נדרשים לצבור מידע מספיק עבור חילוץ כמויות סטטיסטי אמין. כדי לזכות בתובנה פיזי יקר מנגנונים המסדירים וריאציה המרחבי של השדה גל, זה הכרחי כדי לבצע מדידות במקומות רבים ועל ערכים רבים של קצב זרימת רוח ככל האפשר בסעיף מבחן. כדי להשיג מטרה זו, ולכן רצוי מאוד ליישם ניתוח ניסיוני אוטומטית.
ניסויים על גלי נרגש על-ידי רוח לא יציב אילוץ מציגים רמה נוספת של מורכבות. במחקרים כאלה, זה הכרחי להתייחס הפרמטרים נמדד מיידי הרמה מיידי של מהירות הרוח. שקול ניסויים על גלי נרגש משאר יכפו רוח כמעט אימפולסיבי בתור דוגמה חשובה. במקרה זה, מדידות עצמאיים רבים נדרשים של השדה גל מתפתח תחת הפעולה של הרוח משתנה עם הזמן בעקבות את התבנית שנקבעה באותו24. פרמטרים סטטיסטיים משמעות, באה לידי ביטוי גם פונקציה של הזמן שחלף מאז אתחול של זרימת אוויר, ואז מחושבים לפי ממוצע של הנתונים שחולצו מן האנסמבל מצטבר של מימושים עצמאית. התחייבות זו עשויה להיות כרוכה עשרות ומאות שעות של דגימה רציפה. משך הזמן הכולל של הפעלות ניסיוני נדרש לבצע משימה כל כך שאפתנית מעבד את כל התבנית ישים, אלא אם הניסוי הוא אוטומטי לחלוטין. מלא ממוחשב ניסיוני פרוצדורה משפטית כזאת לא במתקני גל ים-פותחה עד לאחרונה. . זה בין הסיבות העיקריות חוסר אמינות נתונים סטטיסטיים על גלי רוח תחת אילוץ לא יציב.
מאז המתקן המשמש את הניסוי לא נבנית זמינים מסחרית, חומרה מדף, תיאור קצר של חלקיו העיקריים מסופק כאן.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig1.jpg"> איור 1. מפרטים טכניים (לא לשנות את קנה המידה) תצוגה של מתקן ניסיוני. 1 - מפוח; 2 - תזרים להתיישב לחדר; 3 - יצוא להתיישב לחדר; 4 - משתיק תיבות; 5 - סעיף מבחן; עם 6 - החוף; 7 - מחליף חום; 8 - חלת דבש; 9 - זרבובית; 10 - wavemaker; 11 - דש; 12 - מכשיר הכרכרה; 13 - מד גל מונע על ידי מנוע stepper; 14 - צינור פיטו מונע על ידי מנוע stepper. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
מתקן ניסיוני מורכב במנהרת רוח לולאה סגורה רכוב נגמר טנק גל (מבט סכמטי מוצג באיור1). סעיף מבחן הוא 5 מ', 0.4 מ', וגובהה 0.5 m עמוק. ובמכסה והרצפה עשויים לוחות זכוכית עבה 6 מ מ, מוקפים בתוך מסגרת עשויה פרופילי אלומיניום. קפל זמן 40-ס מספק של הרחבת חלקה של חתך הרוחב זרימת האוויר מן הצינור אל פני המים. גל אנרגיה קליטת חוף חומר נקבובי אריזה הינו ממוקם בקצה של הטנק. מפוח מבוקר-מחשב מאפשר השגת מהירות זרימת האוויר אומר בסעיף מבחן עד 15 m/s.
המונה 100 מ מ באורך גל של קיבול בהזמנה אישית-סוג מורכב טנטלום מגולוון. חוט 0.3 מ מ, מותקן על שלב אנכי מונע על ידי מנוע צעד מבוקר מחשב המיועד לכיול מד גל. צינור פיטו בקוטר של 3 מ מ משמשת למדידת הלחץ דינמי בחלקו המרכזי זרימת האוויר של סעיף מבחן.
LSG, מדידת שיפוע משטח מים 2D מיידי, מותקן על מסגרת מנותקת סעיף מבחן זה ניתן למקם בכל מקום לאורך הטנק (איור 2). LSG מורכב מארבעה חלקים עיקריים: של דיודת לייזר, עדשות פרנל, מסך המפזרת, אסיפה גלאי חישה עמדה (PSD). דיודת לייזר יוצרת 650 nm (אדום), 200 mW ניתן למיקוד קרן לייזר עם קוטר של-0.5 מ מ. הקוטר ס מ 26.4 פרנל עדשה עם אורך מוקד של 22.86 ס מ מנחה את קרן הלייזר נכנס למסך 25 x 25 ס מ2 המפזרת ממוקם בתוך המטוס בחזרה מוקד של העדשה.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig2.jpg"> באיור 2. הצג סכימתי של מד שיפוע לייזר (LSG). 1 - לייזר דיודה; 2 - עדשת פרנל; 3 - מסך דיפוזיה; 4 - מיקום חיישן גלאי (PSD). <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
פרוטוקול זה מתאר את ההליך המאפשר ביצוע ניסויים שבהם פרמטרים רבים אפיון גלים לא יציב נמדדים בו-זמנית תחת רוח תלויי-זמן מכריח. ניתן לכוונן את ההליך בכל הרצוי התלות של מהירות הרוח זמן אשר יכולה להיות מושגת על רקע המגבלות הטכניות של מתקן ניסיוני. בפרוטוקול הנוכחי מתאר במפורש ניסויים, שבו כל מימוש הרוח מתחילה כמעט בפזיזות מעל המים רגועים בתחילה. הרוח יציב מכריח ואז נמשך מספיק זמן לזה השדה גל בכל מקום בסעיף מבחן משיגה המדינה ומעין יציב. הרוח בסופו של דבר נסגר למטה, שוב כמעט בפזיזות. בכל שלבי, נרשמים פרמטרים גל מרובים. הליך זה מאפשר חישוב של רבים סטטיסטית נציג בממוצע-אנסמבל כמויות אפיון השדה מיידי מקומיים-גל הוא רומן, פותחה במהלך הניסויים האחרונים ביצעו במתקן שלנו 22 , 23 , 24.

<table><tbody><tr><td>PSD</td><td>THORLABS</td><td>PDP90A</td><td></td></tr><tr><td>Laser Diode</td><td></td><td></td><td>any laser pointer &amp;le; 200 mW</td></tr><tr><td>Aspheric Fresnel Lens</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#46-390</td><td>Diameter 10.4&#039;&#039;, Focal length 9&#039;&#039;</td></tr><tr><td>Wave-gauge</td><td></td><td></td><td>custom made</td></tr><tr><td>Pressure Transducer</td><td>MAMAC SYSTEMS</td><td>PR-274-R2-VDC</td><td></td></tr><tr><td>Signal Conditioner</td><td></td><td></td><td>custom made</td></tr><tr><td>Diffusive screen</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#02-147</td><td></td></tr><tr><td>Water tank</td><td></td><td></td><td>custome made</td></tr><tr><td>A/D card PCI-6221</td><td>National Instruments</td><td>779066-01</td><td></td></tr><tr><td>Pitot tube</td><td>KIMO Instruments</td><td>12971</td><td></td></tr><tr><td>15&amp;deg; Nom. VIS-NIR Coated, Wedge Prism</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#47-624</td><td></td></tr><tr><td>10&amp;deg; Nom. VIS 0&amp;deg; Coated, Wedge Prism</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#49-444</td><td></td></tr><tr><td>2.5&amp;deg; Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#84-863</td><td></td></tr><tr><td>4&amp;deg; Nom. Uncoated, Wedge Prism</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#43-650</td><td></td></tr><tr><td>5.0&amp;deg; Nom. Fused Silica Wedge Prism Uncoated</td><td>EDMUND OPTICS</td><td>#84-865</td><td></td></tr><tr><td>LabView Full Development System</td><td>National Instruments</td><td>776670-35</td><td></td></tr></tbody></table>

measurements of waves in a wind-wave tank under steady and time-varying wind forcing

כתב יד זה מתאר הליך ניסוי מאפשר קבלת מידע כמותי מגוונות על האבולוציה הגיאופוליטיות והמרחביות הטמפורלי של גלי מים מתרגש על-ידי אילוץ רוח תלויי-זמן ויציבה. מד קיבול מסוג גל ו מד שיפוע לייזר (LSG) משמשים כדי למדוד את גובה פני השטח מים מיידי, שני מרכיביה של המדרון משטח מיידי במספר מקומות לאורך סעיף מבחן של מתקן גל. מתקשרים מבוקר-מחשב מספק זרימת האוויר מעל המים במיכל שקצב יכול להשתנות עם הזמן. בניסויים הנוכחי, מהירות הרוח בסעיף מבחן בתחילה מגדיל במהירות משאר לערך קבוע. לאחר מכן נשמר קבוע למשך פרק הזמן שנקבע; בסופו של דבר, זרימת האוויר כיבוי. בתחילת כל הפעלה ניסיונית, פני המים הוא רגוע, אין רוח. הפעולה של מתקשרים הוא שיזם בו זמנית עם רכישת נתונים שסופקו על-ידי כל החיישנים מחשב; חדרי קירור והקפאה ממשיך עד הגלים במיכל מלא ריקבון. מספר הרצפים עצמאית תחת כפייה בתנאים זהים לאפשר קביעת אמין מבחינה סטטיסטית בממוצע-אנסמבל מאפיין פרמטרים המתארים באופן כמותי הוריאציה של רוח-גלים בזמן לשלב הפיתוח כמו פונקציית המקל. ההליך מאפשר גם אפיון ההתפתחות המרחבית של השדה גל תחת רוח יציב מכריח, כמו גם קרינת גלים בזמן, ברגע שהרוח כיבוי, כפונקציה של fetch.

התוצאות נציג בממוצע-אנסמבל מותוות בתרשימי איור 6, איור 7ו- 8 איור. הווריאציות של הערכים RMS של1/גובה פני השטח מיידי <η2>2 המאפיינת את משרעת גלי רוח אקראי כפי שהוצג באיור 6 כפונקציה של ?...

Watch this Scientific Journal Video about Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing at JoVE.com

Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing

כתב יד זה מתאר הליך מלא מבוקר-מחשב זה מאפשר קבלת אמין פרמטרים סטטיסטיים מן הניסויים של גלי מים מתרגש על-ידי רוח לא יציב ויציבה אילוץ במתקן בקנה מידה קטן.

מדידות של גלים בתוך מיכל גל תחת רוח יציב ולא משתנה הזמן מכריח

This manuscript describes an experimental procedure that allows obtaining diverse quantitative information on temporal and spatial evolution of water ...

measurements-waves-wind-wave-tank-under-steady-time-varying-wind

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Electrical Engineering

Unit 1

First and Second-Order Circuits

Waves

SCIENTISTS IN ACTION

8.6K Views.  Tel-Aviv University. כתב יד זה מתאר הליך מלא מבוקר-מחשב זה מאפשר קבלת אמין פרמטרים סטטיסטיים מן הניסויים של גלי מים מתרגש על-ידי רוח לא יציב ויציבה אילוץ במתקן בקנה מידה קטן.

Video: Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing

Exploring the Effects of Atmospheric Forcings on Evaporation: Experimental Integration of the Atmospheric Boundary Layer and Shallow Subsurface

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study evaporation under various surface boundary conditions to improve our current understanding and characterization of this multiphase phenomenon as well as to validate numerical heat and mass transfer theories that couple Navier-Stokes flow in the atmosphere and Darcian flow in the porous media. Experimental data were collected using a unique soil tank apparatus interfaced with a small climate controlled wind tunnel. The experimental apparatus was instrumented with a suite of state of the art sensor technologies for the continuous and autonomous collection of soil moisture, soil thermal properties, soil and air temperature, relative humidity, and wind speed. This experimental apparatus can be used to generate data under well controlled boundary conditions, allowing for better control and gathering of accurate data at scales of interest not feasible in the field. Induced airflow at several distinct wind speeds over the soil surface resulted in unique behavior of heat and mass transfer during the different evaporative stages.

A protocol for the design and construction of a soil tank interfaced to a small climate controlled wind tunnel to study the effects of atmospheric forcings on evaporation is presented. Both the soil tank and wind tunnel are instrumented with sensor technologies for the continuous in situ measurement of environmental conditions.

היכרות האפקטים של האטמוספרה Forcings באידוי: שילוב ניסיוני של שכבת האטמוספרה הגבול ומתחת לפני קרקע רדודה

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study ...

Environment

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

The power input in stirred bioreactors is an important scaling-up parameter and can be measured through the torque that acts on the impeller shaft during rotation. However, the experimental determination of the power input in small-scale vessels is still challenging due to relatively high friction losses inside typically used bushings, bearings and/or shaft seals and the accuracy of commercially available torque meters. Thus, only limited data for small-scale bioreactors, in particular single-use systems, is available in the literature, making comparisons among different single-use systems and their conventional counterparts difficult.
This manuscript provides a protocol on how to measure power inputs in benchtop scale bioreactors over a wide range of turbulence conditions, which can be described by the dimensionless Reynolds number (Re). The aforementioned friction losses are effectively reduced by the use of an air bearing. The procedure on how to set up, conduct and evaluate a torque-based power input measurement, with special focus on cell culture typical agitation conditions with low to moderate turbulence (100 &#60; Re &#60; 2&#183;104), is described in detail. The power input of several multi-use and single-use bioreactors is provided by the dimensionless power number (also called Newton number, P0), which is determined to be in the range of P0 &#8776; 0.3 and P0 &#8776; 4.5 for the maximum Reynolds numbers in the different bioreactors.

The power input in stirred bioreactors can be measured through the torque that acts on the impeller shaft during rotation. This manuscript describes how an air bearing can be used to effectively reduce friction losses observed in mechanical seals and improve the accuracy of power input measurements in small-scale vessels.

מידות קלט כוח ריאקטורים מנוער בקנה מידה מעבדה

The power input in stirred bioreactors is an important scaling-up parameter and can be measured through the torque that acts on the impeller shaft during ...

Bioengineering

ייצור חומר פנטום יציב ורלוונטי ביולוגית

A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging devices across vendors and institutions, support the development of internationally recognized standards, and assist the clinical translation of novel technologies. Here, a manufacturing process is presented that results in a stable, low-cost, tissue-mimicking copolymer-in-oil material for use in photoacoustic, optical, and ultrasound standardization efforts.
The base material consists of mineral oil and a copolymer with defined Chemical Abstract Service (CAS) numbers. The protocol presented here yields a representative material with a speed of sound c(f) = 1,481 &#177; 0.4 m&#183;s-1 at 5 MHz (corresponds to the speed of sound of water at 20 &#176;C), acoustic attenuation &#945;(f) = 6.1 &#177; 0.06 dB&#183;cm-1 at 5 MHz, optical absorption &#181;a(&#955;) = 0.05 &#177; 0.005 mm-1 at 800 nm, and optical scattering &#181;s&#39;(&#955;) = 1 &#177; 0.1 mm-1 at 800 nm. The material allows independent tuning of the acoustic and optical properties by respectively varying the polymer concentration or light scattering (titanium dioxide) and absorbing agents (oil-soluble dye). The fabrication of different phantom designs is displayed and the homogeneity of the resulting test objects is confirmed using photoacoustic imaging.
Due to its facile, repeatable fabrication process and durability, as well as its biologically relevant properties, the material recipe has high promise in multimodal acoustic-optical standardization initiatives.

מחבר זרקור: חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית  

This protocol describes the fabrication of a stable, biologically relevant phantom material for optical and acoustic biomedical imaging applications, featuring independently tunable acoustic and optical properties.

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging ...

Medicine

Stability of Floating Vessels

Source: Alexander S Rattner and Kevin Rao Li Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
 The objective of this experiment is to demonstrate the phenomenon of stability of floating vessels - the ability to self-right when rolled over to the side by some external force. Careful design of hull shapes and internal mass distribution enables seagoing vessels to be stable with low drafts (submerged depth of hull), improving vessel maneuverability and reducing drag. 
In this experiment, a model boat will first be modified to enable adjustment of its center of mass (representing different cargo loadings) and automated tracking of its roll angle. The boat will be placed in a container of water, and tipped to different angles with varying heights of its center of mass. Once released, the capsizing (tipping over) or oscillating motion of the boat will be tracked with a digital camera and video analysis software. Results for the maximum stable roll angle and frequency of oscillation will be compared with theoretical values. Stability calculations will be performed using geometric and structural properties of the boat determined in a computer aided design environment.

The Buoyant Force and Stability of Floating Vessels

יציבות של כלי שיט צפים

Source: Alexander S Rattner and Kevin Rao Li Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
 The ...

JoVE Science Education

Mechanical Engineering

Turbulence Sphere Method: Evaluating Wind Tunnel Flow Quality

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Wind tunnel tests are useful in the design of vehicles and structures that are subjected to airflow during their use. Wind tunnel data are generated by applying a controlled air flow to a model of the object being studied. The test model usually has a similar geometry but is a smaller scale compared to the full-sized object. To ensure accurate and useful data is collected during low speed wind tunnel tests, there must be a dynamic similarity of the Reynolds number between the tunnel flow field over the testing model and the actual flow field over the full-sized object.
In this demonstration, wind tunnel flow over a smooth sphere with well-defined flow characteristics will be analyzed. Because the sphere has well-defined flow characteristics, the turbulence factor for the wind tunnel, which correlates the effective Reynolds number to the test Reynolds number, can be determined, as well as the free-stream turbulence intensity of the wind tunnel.

Turbulence Measurements at Varying Air Speeds

שיטת כדור מערבולת: הערכת איכות זרימת מנהרת הרוח

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Wind tunnel tests are useful ...

Aeronautical Engineering

Measuring Turbulent Flows

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations that require instruments with high time-resolution for their appropriate characterization. Hot-wire anemometers have a short enough time-response to fulfill this requirement. The purpose of this experiment is to demonstrate the use of hot-wire anemometry to characterize a turbulent jet.
In this experiment, a previously calibrated hot-wire probe will be used to obtain velocity measurements at different positions within the jet. Finally, we will demonstrate a basic statistical analysis of the data to characterize the turbulent field.

Measuring Turbulent Flows Using Hot-Wire Anemometers

מדידת זרמים סוערים

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows ...

מדידות של גלים בתוך מיכל גל תחת רוח יציב ולא משתנה הזמן מכריח

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

היכרות האפקטים של האטמוספרה Forcings באידוי: שילוב ניסיוני של שכבת האטמוספרה הגבול ומתחת לפני קרקע רדודה

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

מידות קלט כוח ריאקטורים מנוער בקנה מידה מעבדה

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

יציבות של כלי שיט צפים

שיטת כדור מערבולת: הערכת איכות זרימת מנהרת הרוח

מדידת זרמים סוערים