Wideband-transparent gate in water waves

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2017-01-11
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
192
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 269/2016
Abstract
Linear and nonlinear performance of semi-infinite backside domain fluid reaction as an absorption load in active absorption of water waves in experiments is evaluated through the study of plane wave transmission at a single-mode hinged gate in a channel.  An analytical model is constructed for the gate based on a second-order perturbation solution to the potential flow problem on either side. Gate motion and wavefield are solved to second order in incident wave steepness. Passbands of 11/2 –2 octaves of reflections below 5 % are predicted for most gates. The wide-band transparency is explained by reversal of the hydrodynamic added inertia trend. Equiripple and maximally flat tunings are demonstrated. Low first superharmonic free wave emissions at fractions of the incident Stokes component amplitude are predicted over half an octave in the fundamental passband, where superharmonic gate dynamics is shown to reduce the emissions compared to simple-harmonic motion and to enable a coincident near-zero minimum. Most of the dynamic reduction is shown to follow from an idealized resistive response. Prospects for superharmonic tuning are shown to be poor.  Experiments with low- and high-amplitude regular waves in the passband of a test gate are reported. Very low amplitude-averaged reflection coefficients 1–3 % are measured for the gate with two techniques and confirm the theoretical predictions. Estimated first superharmonic emissions show reasonable agreement with predictions at moderate amplitudes. Pure transmission of the Stokes wave seems to take place above the predicted frequency. At the highest test amplitudes between Ka1 = 0.2–0.3, the change in fundamental scattering is negligible, and relative superharmonic emissions are constant or decline. Higher harmonic emissions were found to be negligible.  The experimentally confirmed fundamental-frequency performance of the accurate backside reaction as an absorption load is found to be comparable with existing active absorbers already with a single interface mode. Superharmonic emissions would be critical only when compared to wave-makers with advanced control. Other nonlinear properties of the load are considered favourable–neutral. Improvement is expected with added interface modes.

Puoliäärettömän takapuolisen nestealueen reaktiovoiman lineaarista ja epälineaarista absorptiokykyä veden pinta-aaltojen aktiivisessa vaimennuksessa arvioidaan tarkastelemalla tasoaallon läpäisyä yksimoodisella nivelöidyllä portilla kanavassa.  Portille muotoillaan molemminpuolisen potentiaalivirtausongelman toisen kertaluvun perturbaatioratkaisuihin perustuva analyyttinen malli. Portin liike ja aaltokenttä ratkaistaan toiseen kertalukuun aallon jyrkkyydessä. Puolentoista–kahden oktaavin päästökaistoja alle 5 prosentin heijastuksilla ennustetaan useimmille porteille. Laajakaistaläpinäkyvyys selitetään käänteellä hydrodynaamisen lisätyn hitauden taajuuskäytöksessä. Porteille esitetään Tšebyšov- ja Butterworth-viritykset. Alhaisia ensimmäisten vapaiden yliaaltojen emissiotasoja tulevan aallon Stokesin komponentin murto-osien suuruusluokassa ennustetaan puolen oktaavin alueilla päätaajuuden päästökaistalla, jolla porttien yliharmonisen liikevasteen osoitetaan alentavan yliaaltoemissiota sinimuotoiseen liikkeeseen verrattuna ja tuottavan samankeskisen erittäin alhaisen emissiominimin. Pääosan dynaamisesta emissiovähennyksestä osoitetaan selittyvän yksinkertaistetulla resistiivisellä vasteella. Yliharmonisen virityksen osoitetaan olevan hyödytöntä.  Testiportin päästökaistalla matalilla ja korkeilla aallon amplitudeilla tehdyt kokeet selostetaan. Portille kahdella menetelmällä mitatut erittäin alhaiset amplitudikeskiarvotetut 1–3 %:n heijastuskertoimet vahvistavat teoreettiset ennusteet. Yhdenpitävyys kokeellisesti arvioitujen ja ennustettujen ensimmäisen yliaallon emissiotasojen välillä oli kelvollista kohtalaisilla aallonjyrkkyyksillä. Puhdas Stokesin aallon läpäisy vaikutti tapahtuvan ennustettua korkeammalla taajuudella. Päätaajuuden sironta muuttui suurimmilla koeaallon jyrkkyyksillä Ka1 = 0,2–0,3 vain vähän, ja suhteellinen yliaaltoemissiotaso oli tasainen tai laskeva. Korkeampien yliaaltojen emissio oli vähäistä.  Tarkan takapuolisen nestealueen reaktiovoiman kokeellisesti vahvistettu perustaajuuden suorituskyky absorptiokuormana todetaan nykyisiin aktiivisiin aallonvaimentimiin verrannolliseksi jo yhdellä rajapintamoodilla. Yliaaltoemissio on kriittinen ainoastaan edistyneisiin aaltokoneisiin verrattuna. Kuorman muut epälineaariset piirteet todetaan suotuisiksi–neutraaleiksi. Suorituskyvyn odotetaan parantuvan rajapintamoodeja lisäämällä.
Description
Supervising professor
Romanoff, Jani, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Mikkola, Tommi, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
water wave experiment, active absorption, impedance matching, wave reflection, superharmonic emissions, vesiaaltokokeet, aktiivinen aallonvaimennus, impedanssisovitus, heijastus, yliaaltoemissio
Other note
Citation