Experimental study of the impact of surface waves on turbulent flows

Abstract

Denne avhandlingen er en eksperimentell studie som undersøker samspillet mellom overflatebølger og turbulens, og det er en konseptbevis-studie som tester mulighetene for denne typen eksperimenter i dette laboratoriet. Forskningsspørsmålet som blir undersøkt er: "Hvordan påvirker overflatebølger turbulensintensitet og integral lengdeskala i en grunn og turbulent strømning?" Dette er avgjørende for å bedre forstå den vertikale turbulente miksingen i det øvre grensesjiktet i havet og den resulterende transporten av gass, varme og momentum mellom hav og atmosfære.

Eksperimentene ble utført i en grunn vannkanal hvor turbulens ble generert ved bruk av et aktiv gitter, og bølgene ble generert mekanisk ved hjelp av en bølgemaker. Tre forskjellige moduser av det aktive gitteret ble designet for å generere turbulens med varierende intensitet og integral lengdeskala. De tre modusene var en spinne modus, en flappe modus, og en statisk modus. Hastigheter i strømretning ble målt ved hjelp av et laser-Doppler-velocimetry (LDV) system, og dataene ble brukt til å beregne turbulensegenskaper.

Målinger ble utført for turbulente strømmer uten bølger over kanalens bredde, både oppstrøms og nedstrøms, for å sjekke at gittermodusene ga passende strømmer for å undersøke forskningsspørsmålet, og for å skape en referanse for å sammenligne resultatene med overflatebølger. Deretter ble målinger utført for turbulente strømmer med kontinuerlige, regelmessige bølger for å undersøke forskningsspørsmålet. Signalet fra målingene med bølger ble dekomponert og separert til turbulent og bølgebevegelse slik at bare den turbulente bevegelsen ble undersøkt. Dette ble gjort ved hjelp av empirisk modedekomponering (EMD).

Resultatene fra eksperimentene uten bølger viste at de tre gittermodusene ga forskjellige turbulente strømmer når det gjaldt turbulensintensitet og integral lengdeskala. Det ble derimot vist at flappemodusen og den statiske modusen ga ikke-uniforme hastighetsprofiler. De ble likevel vurdert som tilstrekkelig uniforme for formålet med denne studien. Resultatene nedstrøms viste også at turbulensintensiteten hadde dissipert i stor grad på dette punktet i strømmen, noe som resulterte i at de tre gittermodusene var nesten identiske når det gjaldt intensitet her.

Resultatene fra eksperimentene med bølger viste en liten økning i turbulensintensiteten for den statiske modusen, som er i samsvar med litteraturen. Imidlertid betyr det lille antallet eksperimenter som ble utført, på grunn av tidsbegrensninger, og den ufullstendige separasjonen av turbulensen og bølgebevegelsen, at resultatene er for usikre til virkelig å konkludere noe fra dem. Svaret på forskningsspørsmålet var derfor ikke-konkluderende, men studien som en konseptbevis har vist potensial for at denne type eksperimenter kan utføres i denne labben i fremtiden. Forslag basert på disse resultatene er blitt gjort for å forbedre denne eksperimentelle oppsettet.

This thesis is an experimental study that investigates the interaction between surface waves and turbulence, and it is a proof-of-concept study to test the possibilities of this sort of experiments in this lab. The research question that is addressed is: ``How do surface waves impact turbulence intensity and integral length scale in a shallow, turbulent, open-channel flow?" This is crucial to better understand the vertical turbulent mixing in the upper boundary layer of the ocean and the resulting flux of gas, heat, and momentum between ocean and atmosphere.

The experiments were conducted in a shallow water channel where the turbulence was generated using an active grid and the waves were generated mechanically using a wavemaker. Three different modes of the active gird were designed to generate turbulence with varying intensity and integral length scale. The three modes were spinning, flapping, and static. Instantaneous velocities in streamwise direction were measured by the use of a laser Doppler velocimetry (LDV) system, and the data was used to calculate turbulence properties.

Measurements were done for turbulent flows without waves across the width of the channel, both upstream and downstream, to check that the grid modes yielded appropriate flows to investigate the research question, and to create a benchmark to compare the results with surface waves to. Following from this, measurements were done for turbulent flows with continuous, regular waves, to investigate the research question. The signal from the measurements with waves was decomposed and separated into turbulent and wave motion so that only the turbulent motion was investigated. This was done by the use of empirical mode decomposition (EMD).

The results from the experiments without waves showed that the three grid modes gave differing turbulent flows in terms of turbulence intensity and integral length scale. However, the flapping and static modes gave non-uniform velocity profiles. They were still deemed sufficiently uniform for the purposes of this study. The results downstream also showed that the turbulence intensity had mostly dissipated at that point in the flow, resulting in that the three grid modes were almost identical in terms of intensity here.

The results from the experiments with waves showed a slight increase in turbulence intensity for the static mode, which is in agreement with the literature. However, the small amount of experiments conducted, due to time constraints, and the imperfect separation of the turbulent and wave motion means that the results are too uncertain to really conclude anything from. The answer to the research question was therefore inconclusive, but the study as a proof-of-concept has shown potential for this sort of experiments in the future. Suggestions based on these results were made to improve this experimental setup.