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Imaging of Water-sided Gas-Concentration Fields at a Wind-Driven, Wavy Air-Water Interface

Herzog, Alexandra Gabriela

German Title: Visualisierung von wasserseitigen Gaskonzentrationsfeldern an einer windgetriebenen, wellenbewegten Luft-Wasser-Grenzfläche

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Abstract

The aim of this study is to develop improved measurement techniques to determine depth dependent water-sided gas concentration fields under a winddriven free surface that is strongly wave-influenced. In comparison to previous studies the pH-LIF method was improved by using a novel fluorophore, a more powerful Laser and an optimized optical setup. This configuration allows for the first time high temporal resolution imaging of concentration fields under a strongly wave-influenced surface in two spatial dimensions. Two measurement techniques based on Laser-induced fluorescence have been improved and developed, respectively: On the one hand, the theory of a spectral reconstruction approach was improved, that allows an arbitrary orientation of the illuminated cross section. Here, depth-dependent concentration fields can be estimated by inverse modeling. On the other hand, a novel measurement technique, static pattern LIF (SP-LIF), has been developed from side-LIF by applying a discretized illumination. For the first time, a reliable estimate of the water surface even under a nearly vanishing near surface concentration gradient, has become possible. Now, the found and classified coherent structures in the near surface turbulence under wind shear can be compared to the results of direct numerical simulations to reveal the dominating transport mechanisms under varying conditions.

Translation of abstract (German)

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer verbesserten Messtechnik, welche es ermöglicht unter wellenverzerrter Oberfläche das wasserseitige Gaskonzentrationsfeld zu bestimmen. Im Vergleich zu vorherigen Studien wurde die pH-LIF Messtechnik durch einen neuen Fluoreszenzfarbstoff, einen leistungsstärkeren Laser und einen optimierten optischen Aufbau verbessert, was nun erstmals zeitlich hochaufgelöste Messungen unter stark wellenbeeinflußter Grenzschicht in zwei räumlichen Dimensionen erlaubt. Für die Durchführung dieser Experimente wurde ein völlig neuer, chemisch inerter Wind-Wellen Kanal konzipiert, realisiert und weitgehend charakterisiert. Zwei Messtechniken basierend auf Laser-induzierter Fluoreszenz wurden weiter beziehungsweise neu entwickelt: Zum einen wurde die Theorie eines spektralen Ansatzes weiterentwickelt und in numerischen Simulationen getestet, welcher eine beliebige Orientierung des beleuchteten Querschnitts erlaubt. Die tiefenabhängigen Konzentrationsfelder werden hierbei mit Hilfe inverser Modellierung bestimmt. Zum anderen wurde aus der Seiten-LIF Methode durch eine diskretisierte Beleuchtung die neue Messmethode Static Pattern LIF entwickelt. Hierdurch wird nun erstmals eine zuverlässige Detektion derWasseroberfläche auch in Abwesenheit eines starken Konzentrationsgradienten in der Grenzschicht ermöglicht. Die mit dieser Methode gefundenen und klassifizierten kohärenten Turbulenzstrukturen unter Windscherung können nun mit Ergebnissen der Direkten Numerischen Simulation verglichen werden, um Rückschlüsse auf dominante Transportmechanismen zu ziehen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 21. October 2010
Date Deposited: 08. Nov 2010 12:03
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Laserinduzierte Fluoreszenz, Gasaustausch , Grenzfläche
Uncontrolled Keywords: PLIF , Air-Water Gas Exchange , Wind-induced Turbulence , Free Surface , Waves
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