Topic 9 Water waves

• 学生： 唐原江 许植伟 龙正浩
• 指导教师： 周诗韵

Generate a water wave with a vertically oscillating horizontal cylinder. When varying the excitation frequency and/or amplitude, the water seems to drift away from or towards the cylinder. Investigate the phenomenon.

1. H. Punzmann, N. Francois, H. Xia, G. Falkovich, and M. Shats. Generation and reversal of surface flows by propagating waves. Nature Physics 10, 658–663 (2014) 2014_nat_phys_punzmann.pdf and nphys3041-s1.pdf
2. H. Punzmann, N. Francois, H. Xia, G. Falkovich, and M. Shats. Tractor beam on water surface (2014), arXiv:1407.0745 [physics.flu-dyn] 1407.0745.pdf
3. N. Francois, H. Xia, H. Punzmann, S. Ramsden, and M. Shats. Three-Dimensional Fluid Motion in Faraday Waves: Creation of Vorticity and Generation of Two-Dimensional Turbulence. Phys. Rev. X 4, 021021 (2014), arXiv:1403.7880 [physics.flu-dyn] physrevx.4.021021.pdf
4. S. Taneda. Visual observations of the flow around a half-submerged oscillating circular cylinder. Fluid Dyn. Research 13, 119–151 (1994). http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0169598394900469
5. attracting water waves (youtube.com, from R. Reichle, Feb 16, 2015), https://youtu.be/dK5GsHS9vfI
6. ANU Scientists create a Tractor Beam on water (youtube.com, from ANUchannel, Aug 10, 2014), https://youtu.be/ZUYCkHWgVss
7. Physicists create water tractor beam (phys.org, August 10, 2014), http://phys.org/news/2014-08-physicists-tractor.html
8. N. Francois, H. Xia, H. Punzmann, M. Shats. Inverse Energy Cascade and Emergence of Large Coherent Vortices in Turbulence Driven by Faraday Waves. Phys. Rev. Lett. 110 (2013), arXiv:1302.2993[physics.flu-dyn], http://people.physics.anu.edu.au/~hop112/fl/pof_pdfs/2013_PRL_Francois_Inverse_cascade_in_FWT.pdf
9. A. Constantin. The flow beneath a periodic travelling surface water wave. J. Phys. A: Math. Theor. 48, 143001 (2015) the_flow_beneath_a_periodic_travelling_surface_water_wave.pdf

3月8日第一次和周老师交流，我们一致地认为课题的第一步是搭建起实验的仪器，我们去看了实验室提供的振动仪。 因为没有说明书还不能确定能否调幅（实验中关键的参数有调幅）。之后还去看了实验室的水槽，但是发现水槽太小了，考虑去化学实验室拿一个或者网购一个大点的水槽，水槽的具体尺寸还要再考虑。经过和老师商量，初步的设计是让振动仪的上白色板上搭建起一个类似秋千的东西吊着圆柱体，让振动仪可以带动圆柱体振动。水槽放在振动仪的上方，圆柱体伸入水槽。下一步主要考虑下怎么设计这个支架和水槽，还有研究怎么能够调节振幅。——–唐原江 2016/03/09 19:17

今天是小组所有成员第一次集体会议，周老师向两位同学简要介绍了建模课的情况，以及目前实验的初期搭建仪器的事情，参观了现有的仪器，经过我们几人的商量，否决了用弦线驻波实验的电磁振动器做振动源的想法，同时觉得用105现有的振动台也不太行。龙正浩和许植伟同学提到生物实验有用过一个振动搅拌器极有可能可以成为我们的实验振动源。还有童老师的“水波演示仪”也有可能，力学系似乎也有一台。所以分工龙正浩和许植伟同学看看能不能从生科借出来，唐原江看看力学系那边，周老师联系下童老师。主要问题在于振动源，我们先解决振动源，其他的水槽和圆柱体后面根据这个配套解决。——唐原江 2016/03/12 17:24

小组讨论确定器材搭建的基本思路。
以弦线振动仪（由交变电磁铁和辐条为基本结构，可调节频率和振幅）为基础，更改辐条长度达到足够的振幅，牵引轻质的竖直塑料杆带动圆柱体振动。
下一部的主要任务是：

1. 找李老师做不同长度的辐条
2. 构建横杆和圆柱体的三维模型，用3d打印制作——许植伟 2016/03/28 12:32

小组讨论明确现阶段问题。

1. 探究使水波返回的临界值（ g时水波变向，<g往外，被推物体速度v随频率f线性增加，>g向内，被推物体速度v随f降低。）
2. 找到测量振幅的方法（初步定为tracker）
3. 找到波形拍照的方法（3D打印大量1mm直径彩色小球洒在水面，用它们直接反应流线分布）
4. 测量水的流速（tracker测量上诉彩色小球的速度从而表征流速）
5. 探究为何水波不满足斯托克斯方程.
6. 目前计划：step1：研究变向的临界值及相关参数step2：流速测量（距离的函数）

这个课题的物理问题是什么？我感觉我已理解了，但我没看到你们在这个页面上有很清楚的表达，尝试再很准确地表达一下这个课题的物理，要求你们组的三位同学都独立地表达，将自己的理解写到这个地方来。
如果你们在水波表面上能看到课题内容中描述的现象，此时，水在深度方向上的运动形式如何？这一点是马上可以用Comsol软件模拟的。希望模拟工作现在就可以做起来。 — 乐永康 2016/04/04 12:26

谢谢老师提醒，的确前面没有考虑到物理问题的实质，只是想探究为什么会出现表面物体向外和向内的两种不同的表现，后面会重点思考本实验的物理问题是什么。另外老师Comsol软件有没有资源和筛选过的好的基本的教程，网上的资源参差不齐找好资源需要时间，想知道有没有已经找好的。
— 唐原江 2016/04/04 12:46

在CUPT群里向学长们求助即可。 — 乐永康 2016/04/04 12:51

课题是研究振动圆柱引起的水波水流向外和向内流动的现象。研究分为两个层次。第一个层次是现象层面：通过水面漂浮的小球(或颗粒)反映水波表面的速度场；第二个层次是机理层面：就是解释原因。可以通过实验测得的数据和相关物理定律，构建数学模型。但是，我认为我们现阶段还不具备进展到第二个层次能力，原因有两点：第一是实验测出的数据很难精确（仪器限制），第二是数学能力欠缺。也许通过comsol模拟是可以的。我非常期待计算机的模拟。 — 许植伟 2016/04/04 14:32

向内流动的水去哪里了？向外流动的水是哪里来的？ — 乐永康 2016/04/04 14:34

今天我们开始搭建器材。 唐原江订购的辐条和龙正浩购买的闪光粉都已经到货，我们开始按照既定的计划搭建器材。 在搭建器材和初步实验的过程中主要成果和遇到的困难如下

1. 由于辐条质量太大，振动源力量太小，导致辐条尖端的振动振幅很小。只能利用共振的方式提高振幅。
2. 我们订购的辐条质量大，长度较长。即使在长度最短的档位下共振频率仍然只有10Hz左右。如何提高共振频率也是亟待解决的问题。
3. 我们利用闪光粉撒在水面上可以很清晰地展示水的表面波流动的方向
4. 在初步实验中，我们有限地调节频率与振幅，得到了如下现象：垂直于圆柱的水流向外流动（喷射现象），平行于圆柱轴线的水流向内流动（回流现象），表面波在平面对称的四个象限内做循环流动。这与论文中第一种情况吻合。但是我们在加速度大于g的情况下并没有看到如论文所描述的水流反向流动的现象。初步考虑是振动频率过小（初步实验中振动频率小于20Hz）。— 许植伟 2016/04/10 17:02

今天实验中我们终于看到了水波回流的现象！
我们使用弦线振动仪原装的辐条，调大了振动频率。在频率为45Hz左右时，观察到了垂直于圆柱方向上明显的回流现象。
具体实验数据如下：

1. f>55Hz,振幅过小，水波不明显；
2. 37.5Hz<f<55Hz，垂直圆柱轴线方向上（下称中垂线）有明显的回流现象，出现回流的长度距离圆柱共约为5cm
3. 25Hz<f<37.5Hz，回流明显减弱，形成圆柱体前方的小范围漩涡（仍然有回流现象）；整个中垂线上水流逐渐归零
4. 15Hz<f<25Hz,中垂线上水流出现明显的向外喷射的现象；但仔细观察圆柱体前方三角形区域内仍然有极小的漩涡
5. 5Hz<f<15Hz,漩涡完全消失；中垂线上水流完全向外流动，但速度随频率逐渐减小，直至完全消失

下一步主要任务：

1. 测量振幅（估计利用高速摄像机+TRACKER？）
2. 重新打印支架更长的圆柱
3. 定量测量水流速度、振动频率临界值等参数
4. 计算机模拟— 许植伟 2016/04/13 23:47

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实验目的：改进实验仪器，提供稳定震动
实验内容：
1.查询资料，了解到有震动棒、音响等器件可以提供振动；
2.咨询老师，老师建议应该选择容易获得的物件，并确定由音响提供振动，并且由电脑提供可控振动；
3.去除音响外壳，去除黑色纤维表面，将振动棒与用双面胶固定。
4.用两块透明薄板作为支架，调整水面高度，满足圆柱接近半径浸入水面。
如下结果图：

5.检验实验装置改进结果。
实验分析以及反思
1.双面胶改为502，重新粘合。
2.拍摄时将扬声器用透明胶固定在两个玻璃板上，同时考虑玻璃板上的共振。
3.解决拍摄时反光以及灯光较暗的问题。
NEXT STEP：
1.再打印出比例更大的圆柱体（暂定直径为15mm）。
2.设计出能测出圆柱体在水面里振动时的振幅。（看看能否用记号笔在圆柱振动时留下痕迹，然后测量（痕迹能否消除直接关系到了方案的可行性））。
3.更换较厚较清晰的玻璃板。

建议先咨询童培雄老师，是否可以借用“水波演示仪”来做些初步尝试。 — 乐永康 2016/03/09 22:06

已经发邮件给老师预约时间和童老师谈谈。 — 唐原江 2016/03/10 14:02

如可能，请及时更新页面，争取至少每周一次。 — 乐永康 2016/03/22 22:54

学习一下WIKI页面的格式编辑。 — 乐永康 2016/04/04 12:25