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Investigating the Transfer of Oxygen at the Wavy Air-Water Interface under Wind-Induced Turbulence

Friedl, Felix

German Title: Untersuchung des Sauerstoff Transfers an der Wellenbewegten Luft-Wasser Grenzfläche bei Windinduzierter Turbulenz

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Abstract

Local oxygen transfer velocities measured in a linear wind-wave tunnel with respect to wind speed and fetch are presented in this thesis. For this, a non-intrusive laser-induced fluorescence (LIF) method was developed to measure vertical oxygen concentration profiles in the water-sided mass boundary layer. The fluorophore used is a water soluble ruthenium complex, which is quenched according to the Stern-Volmer equation. This equation, which originally describes the quenching only for a weak excitation, was generalized for arbitrary laser irradiance. Measurements confirm this generalization and yield a new value for the Stern-Volmer constant.

The LIF method was applied with high spatial and temporal resolution of 6.2 µm and 1.2 kHz, respectively, in order to resolve the mass boundary layer and fast processes. To obtain mean oxygen concentration profiles with high precision, an algorithm was developed to detect the water surface in the recorded images. The measured mean concentration profiles show a transition in the self-similar shape with the onset of waves. The results for a flat water surface are in agreement with the surface renewal model. For a wavy water surface, the small eddy model and the surface renewal model both describe the data equally well. Vanishing oxygen concentration fluctuations at the flat water surface were measured, which is in agreement with existing models for a rigid interface. The local transfer velocities obtained from mean concentration profiles are best parametrized with the friction velocity. In this work, the great potential of LIF measurements to probe transfer velocities locally is demonstrated.

Translation of abstract (German)

Lokale Transfergeschwindigkeiten von Sauerstoff, die in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Windwirklänge in einem linearen Wind-Wellen Kanal gemessen wurden, werden in dieser Arbeit präsentiert. Dazu wurde eine berührungsfreie laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Methode entwickelt, um vertikale Sauerstoff Konzentrationsprofile in der wasserseitigen Massengrenzschicht zu messen. Der verwendete Farbstoff ist ein wasserlöslicher Ruthenium Komplex, dessen Quenchverhalten durch die Stern-Volmer Gleichung beschrieben wird. Diese Gleichung, die ursprünglich das Quenchen nur für eine schwache Anregung beschreibt, wurde für beliebige Laser Bestrahlungsstärken verallgemeinert. Messungen bestätigen die Verallgemeinerung und ergeben einen neuen Wert für die Stern-Volmer Konstante.

Die LIF Methode wurde mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung von 6.2 µm und 1.2 kHz angewendet, um die Massengrenzschicht und schnelle Prozesse auflösen zu können. Um mittlere Konzentrationsprofile mit einer hohen Präzision zu erhalten, wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Wasseroberfläche in den aufgenommenen Bildern detektiert. Die mittleren Konzentrationsprofile weisen einen Übergang in ihrer selbstähnlichen Form mit dem Einsetzten von Wellen auf. Die Ergebnisse für eine flache Wasseroberfläche stimmen mit dem Oberflächenerneuerungsmodell überein. Für eine wellige Wasseroberfläche werden die Daten von dem Oberflächenerneuerungsmodell und dem Diffusionsmodell gleich gut beschrieben. An der flachen Wasseroberfläche wurden verschwindend geringe Konzentrationsfluktuationen gemessen, was mit gängigen Modellvorhersagen für eine starre Grenzfläche in Einklang ist. Die lokalen Transfergeschwindigkeiten, ermittelt durch mittlere Konzentrationsprofile, werden am besten durch die Schubspannungsgeschwindigkeit parametrisiert. Diese Arbeit zeigt die großen Möglichkeiten von lokalen LIF Messungen auf, um lokale Transfergeschwindigkeiten zu bestimmen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 6 February 2013
Date Deposited: 28 Feb 2013 08:34
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Gasaustausch, Wind-Wellen-Kanal, Laserinduzierte Fluoreszenz, Lumineszenzlöschung, Stern-Volmer-Gleichung, Diffuse Grenzschicht, Schubspannung
Uncontrolled Keywords: gas transfer velocity, wind-wave tunnel, laser-induced fluorescence, fluorescence quenching, Stern-Volmer equation, mass boundary layer, surface renewal model, small eddy model, friction velocity
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