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

Questo lavoro è stato supportato dalla Israel Science Foundation, grant n. 306/15.

1. sistema preparazione
<ol><li>Riempire il serbatoio con acqua del rubinetto fino ad una profondità di circa 20 cm per soddisfare la condizione delle acque profonde; pulire la superficie dell'acqua di eventuali contaminanti che possono influenzare la tensione superficiale.</li>
	<li>Posizionare il carrello strumento l'operazione di recupero desiderato.<ol>
<li>Montare il tubo di Pitot e posizionarlo al centro della parte di flusso d'aria della sezione di prova.</li>
		<li>Montare il manometro onda su un palcoscenico verticale controllato dal computer per consentire la calibrazione statica.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Posizione l'Assemblea LSG il fetch desiderato e la distanza laterale di circa 7 cm dal contatore onda per eliminare le interferenze dell'onda calibro assembly con il percorso ottico. Nota: L'uso di una cortina di opaca è consigliato per prevenire l'esposizione del PSD alla luce ambientale, come pure per proteggere l'ambiente dalle riflessioni spurie del fascio laser.<ol>
<li>Allineare il laser posizionato sotto il serbatoio dell'acqua in modo che il fascio è diretto verticalmente e focalizzazione del fascio.</li>
		<li>Posizione la lente di fresnel all'interno della sezione di test più in alto possibile sopra la superficie dell'acqua per ridurre al minimo la dispersione dell'obiettivo del flusso dell'aria.</li>
		<li>Assicurarsi che il raggio laser deflesso colpisce la lente nella sua parte centrale sotto le condizioni di vento estreme previsto nella sessione sperimentale.</li>
		<li>Montare lo schermo diffusivo esattamente al piano focale della lente, quindi controllare l'allineamento orizzontale e verticale di sia l'obiettivo e lo schermo.</li>
		<li>Assicuratevi che qualsiasi due fasci laser verticale parallelo colpiscano lo schermo diffusivo esattamente al centro quando la superficie dell'acqua è ancora. Nota: Questo può essere verificato utilizzando due laser identici posizionati ad una certa distanza gli uni dagli altri.</li>
		<li>Posizionare il PSD assicurandosi che l'intera area dello schermo diffusivo è all'interno dell'area efficace del rivelatore. Eseguire regolando le impostazioni di lente alla distanza reale tra l'obiettivo e lo schermo di messa a fuoco della lente PSD.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. taratura e funzionamento dei sensori
<ol><li>
Calibratura del manometro onda
	<ol>
<li>Eseguire la taratura del calibro di onda per ogni posizione di misura e ogni velocità massima del vento previsto nel periodo sperimentale.<ol>
<li>Impostare la posizione verticale del sensore in modo che il livello medio di acqua è circa a metà lunghezza i conduttori di rilevamento.</li>
			<li>Impostare la velocità della soffiante al valore desiderato e permettere al vento di soffiare costantemente per un tempo sufficientemente lungo (2-3 min).</li>
			<li>Con un oscilloscopio, regolare manualmente la sensibilità, guadagno e offset del misuratore onda utilizzando il condizionatore per garantire che i valori di tensione corrispondenti a più alta cresta e la depressione minima prevista per il campo dell'onda sono all'interno della gamma di A/D convertitore (+ /-10 V).</li>
			<li>Arrestare il ventilatore per alcuni minuti, fino a quando la superficie dell'acqua diventa completamente indisturbata.</li>
			<li>Verificare che la lunghezza sommersa è previsto massimo cresta e i valori di depressione spostando l'onda calibro verticalmente.</li>
			<li>Eseguire la calibrazione automatica del misuratore onda utilizzando una routine di su misura in acque ferme sommergendo il misuratore in un certo numero di profondità specificato e registrare l'output di tensione media durante 5 s per ogni profondità.</li>
			<li>Montare una calibrazione quadratica polinomiale ai dati registrati per ottenere la dipendenza H(V), dove H è la profondità di immersione (corrispondente alla quota altimetrica della superficie istantanea), in funzione della tensione di uscita Vdi calibro.</li>
			<li>Verificare visivamente la qualità della calibrazione componibile polinomiale (Figura 3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig3.jpg"> Figura 3. Curva di taratura del misuratore dell'onda. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="2"><li>
Taratura e calibrazione di LSG
	<ol>
<li>Verificare le prestazioni della LSG dopo ogni spostamento dell'Assemblea di sensore.<ol>
<li>Utilizzando un cuneo ottico prisma appoggiato su un foglio di vetro orizzontale, deviare il raggio laser rispetto all'asse ottico che simula una pendenza della superficie acqua noto.</li>
			<li>Esempio il PSD uscite del fascio laser deviato posto alla schermata diffusiva utilizzando un oscilloscopio o un programma di acquisizione di dati su misura.</li>
			<li>Calcolare l'angolo di deflessione del fascio e la pendenza dalla coordinata spot fascio laser coordinate misurate; confrontare il risultato con l'angolo del cuneo noto.</li>
			<li>Ripetere la procedura per diversi angoli di deflessione utilizzando uno o più prismi. Nota: Prismi di Cuneo con gli angoli di deflessione che vanno da 2,5 ° a 17,5 ° sono stati utilizzati; Se il test fallisce a causa del disallineamento del PSD con lo schermo diffusivo, regolare manualmente, il PSD per correggere errori di disallineamento. Questa procedura viene eseguita manualmente mediante una fase di traslazione orizzontale 2D e un livello e richiede molto tempo.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Verifica della linearità della procedura di calibratura e PSD
		<ol>
<li>Posizionare una griglia equidistante che è stata stampata su un foglio trasparente sullo schermo diffusivo e orientarlo in modo che gli assi, x e y, sono allineati con il down e trasversale direzioni del vento, rispettivamente (Figura 4). Nota: La griglia facilita dirigere il raggio laser per la località desiderata sullo schermo diffusivo comodamente e con precisione utilizzando una serie di prismi o spostando il laser sotto lo schermo diffusivo in direzioni lungo-vento e vento al traverso.</li>
			<li>Utilizzando il set di prismi, deviare il raggio laser verticale per ottenere posizioni multiple radiale del raggio laser spot sullo schermo diffusivo pur mantenendo un angolo azimutale costante. Nota: Risoluzione di 1 cm e il raggio massimo di 7 cm è utilizzati per ciascuno dei 9 angoli azimutali.</li>
			<li>Spostare il punto di laser a posizioni multiple nella x-direzione, mantenendo y coordinare costante, poi cambiare la direzione del movimento ye mantenere costante la x . Nota: Gamma e risoluzione utilizzata sono simili a quelli nella sezione precedente.</li>
			<li>Raccogliere circa 50 punti sulla griglia di partenza in ogni taratura. Nota: Le coordinate di spot del fascio laser vengono acquisite dal PSD e valutati utilizzando un oscilloscopio a due canali standard collegato al PSD.<ol>
<li>Per ogni direzione, uso lineare adatta dei dati per produrre i coefficienti di calibrazione per convertire le coordinate del raggio laser sul sensore PSD per le corrispondenti coordinate sullo schermo diffusivo. Nota: Un esempio della calibrazione PSD è rappresentato graficamente nella figura 5 per un insieme di punti presi lungo la linea centrale della sezione di prova. La risposta del sensore e così i coefficienti di calibrazione, è quasi identica in tutte le direzioni quando gli assi dello schermo diffusivo e il sensore sono allineati correttamente. La griglia facilita la procedura di calibrazione, permettendo una facile determinazione delle coordinate pendio laser sullo schermo diffusivo.</li>
			</ol>
</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig4.jpg"> Figura 4. La griglia di schermo diffusiva. La griglia facilita dirigere il raggio laser per la località desiderata sullo schermo diffusivo comodamente e con precisione, utilizzando una serie di prismi o spostando il laser sotto lo schermo diffusivo in lungo-vento e direzioni di vento trasversale <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per Mostra una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig5.jpg"> Figura 5. Curva di taratura PSD. Nella figura viene illustrato che la traduzione del PSD output tensioni a coordinate produce risultati adeguati. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
3. procedura sperimentale e acquisizione dati
Nota: Vedere complementare figura 1 per l'interfaccia utente utilizzata nei passaggi seguenti.
<ol><li>Impostare la frequenza di soffiatore utilizzando un'interfaccia di utente del programma personalizzato. Nota: È stato applicato quasi graduale aumento della velocità del vento sulla superficie dell'acqua inizialmente indisturbati, seguita da un tasso di flusso d'aria costante per una durata prescritta (120 s), e un quasi impulsivo arrestato della soffiante.</li>
	<li>Determinare il numero di portate diverse vento costante e le impostazioni necessari soffiatore.</li>
	<li>Regolare le impostazioni del trasduttore di pressione per l'intervallo previsto di variazioni di pressione dinamica rilevata dal tubo Pitot.</li>
	<li>Assicurarsi che all'inizio di ogni realizzazione, non c'è vento e la superficie dell'acqua è indisturbato (specchio liscio). Avvia acquisizione dati in modo sincrono con il funzionamento del ventilatore.</li>
	<li>Registrare la quota altimetrica della superficie istantanea, componenti di pendenza della superficie a lungo- e direzioni di vento trasversale, il Pitot tube output monitoraggio la velocità media del vento U, e la variazione di tensione dal controller soffiatore il campionamento prescritto a votare ( Sono stati utilizzati 300 Hz per canale). Nota: La tensione da onda-gauge acquisito dal programma viene convertita automaticamente in quota altimetrica della superficie utilizzando i coefficienti di calibrazione dal fit presentato in Figura 3.</li>
	<li>Continuare a campionamento per un tempo sufficiente registrare il campo dell'onda decadente dopo lo spegnimento del ventilatore.</li>
	<li>Al termine del campionamento, assicurarsi che la procedura sperimentale automatica consente per un tempo sufficiente (a seconda del sistema) per portare la superficie dell'acqua indisturbati condizione prima dell'inizio dell'esecuzione del successivo.</li>
	<li>Salvare tutti i dati registrati per l'elaborazione successiva.</li>
	<li>Eseguire il numero prescritto di realizzazioni (solitamente 100 esecuzioni indipendenti sono state trovate sufficienti).</li>
	<li>Calcolare i parametri ensemble-fatto la media dei dati registrati come una funzione del tempo trascorso da quando l'avvio del ventilatore.</li>
	<li>Ripetere l'intera procedura per l'impostazione successiva del ventilatore corrispondente alla velocità del vento di destinazione selezionato nella sezione test.</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. 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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. 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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. 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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>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Il presente protocollo sperimentale è rivolto alla caratterizzazione quantitativa del campo d'onda sotto vento instabile costringendo che si evolve nel tempo e nello spazio. Dal vento-onde sono essenzialmente casuale e tridimensionale e variano così rapidamente nel tempo e nello spazio, record di diverse realizzazioni di un campo crescente ondata di vento sotto vento dipendente dal tempo costringendo possono fornire soltanto stime qualitative di governare parametri di onda. Per raggiungere l'obiettivo del presente prot...

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 anni1,2,3,4, 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 misure5,6,7,8. Gli studi più recenti anche impiegate varie tecniche ottiche per misurare l'angolo di inclinazione superficie acqua istantaneo, ad esempio LSG9,10. 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 successo11,12,13,14 , 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 onde17,19. 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 impianto22,23 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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig1.jpg"> 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. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
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 25x25 cm2 situato nel piano focale posteriore dell'obiettivo.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56480/56480fig2.jpg"> 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). <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56480/56480fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
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.

<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

Questo manoscritto descrive una procedura sperimentale che permette di ottenere diverse informazioni quantitative sull'evoluzione temporale e spaziale delle onde di acqua eccitate forzando dipendente dal tempo e costante vento. Indicatore di capacità-tipo onda e Laser pendenza Gauge (LSG) sono utilizzati per misurare la quota altimetrica della superficie acqua istantaneo e due componenti del versante di superficie istantaneo in un certo numero di posizioni lungo la sezione di test di un impianto di ondata di vento. Il soffiatore computerizzato fornisce il flusso d'aria sopra l'acqua nel serbatoio in cui il tasso può variare nel tempo. Negli esperimenti attuali, la velocità del vento nel tratto di prova inizialmente aumenta rapidamente da resto al valore impostato. Viene quindi mantenuta costante per tutta la durata prescritta; Infine, il flusso d'aria viene arrestato. All'inizio di ogni esecuzione sperimentale, la superficie dell'acqua è calma e non c'è vento. Funzionamento del ventilatore è iniziata contemporaneamente con l'acquisizione dei dati forniti da tutti i sensori di un computer; acquisizione dati continua fino a quando le onde nel serbatoio completamente decadono. Più esecuzioni indipendenti eseguite in condizioni identiche di forzatura consentono di stabilire statisticamente affidabili parametri caratteristici una media di ensemble che descrivono quantitativamente variazione di onde di vento in tempo per la fase di sviluppo iniziale come un funzione di recupero. La procedura consente, inoltre, che caratterizzano l'evoluzione spaziale del campo d'onda sotto vento costante forzatura, così come il decadimento delle onde nel tempo, una volta che il vento viene arrestato, come una funzione di recupero.

I risultati di una media di ensemble rappresentante vengono rappresentati in Figura 6, Figura 7e Figura 8. La variazione dei valori RMS di quota altimetrica della superficie istantanea <η2>1/2 che caratterizza l'ampiezza delle onde di vento casuale come presentato nella Figura 6 come funzione del tempo trascorso dalla...

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

Questo manoscritto descrive una procedura completamente computerizzato che permette di ottenere dei parametri statistici affidabili da esperimenti di onde d'acqua eccitate forzando vento stabile e instabile in una struttura di piccole dimensioni.

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

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

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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.

Esplorare gli effetti dell&#39;inquinamento atmosferico forcing per evaporazione: Integrazione sperimentale dello strato atmosferica Boundary e Subsurface Shallow

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

Ricerca

Ambiente

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.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

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

Ingegneria

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.

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

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.

Misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di laboratorio

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 ...

Bioingegneria

Fabbricazione di un materiale fantasma stabile e biologicamente rilevante

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.

Autore in primo piano: un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico  

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.

Un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico

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

Medicina

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

Stabilità dei vasi galleggianti

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

Didattica

JoVE Science Education

Ingegneria meccanica

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

Metodo della sfera di turbolenza: valutazione della qualità del flusso nella galleria del vento

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

Ingegneria aeronautica

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

Misurazione di flussi turbolenti

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

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

Riepilogo

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Capitoli in questo video

Esplorare gli effetti dell'inquinamento atmosferico forcing per evaporazione: Integrazione sperimentale dello strato atmosferica Boundary e Subsurface Shallow

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

Misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di laboratorio

Un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico

Un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico

Un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico

Stabilità dei vasi galleggianti

Metodo della sfera di turbolenza: valutazione della qualità del flusso nella galleria del vento

Misurazione di flussi turbolenti