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Active Thermography to Investigate Small-Scale Air-Water Transport Processes in the Laboratory and the Field

Nagel, Leila

German Title: Aktive Thermographie zur Untersuchung von kleinskaligen Luft-Wasser-Transportprozessen in Labor und Feld

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Abstract

The active controlled flux technique is a tool to measure heat transfer velocities with a high temporal and spatial resolution. As heat, momentum and gas transport underlie the same physical processes, heat can be used as a proxy tracer for gases. Nevertheless the scaling of the measured heat transfer rates to the ones for gases is under discussion since the last decade due to the large differences in the diffusion constants of heat and gas. In this thesis simultaneous heat and gas transfer measurements have been conducted in the laboratory. Using an amplitude damping method, where the system response to different large-scale laser stimulations is investigated, a good agreement between scaled heat and gas transfer rates is found. The results show that, knowing the actual Schmidt number exponent, a scaling of heat to gas transfer rates is possible. During three campaigns in the Baltic Sea reliable transfer rates were determined. The obtained values are in the range of the expectations obtained from the laboratory measurements in the Aeolotron. They show, that the wind speed alone is not able to parametrise the gas transfer. Due to the different laser forcings required for this analysis, the integration time is in the order of 30 minutes. For an investigation of the underlying transport processes two fast analysis methods have been evaluated during laboratory measurements. The used methods are based on the surface renewal model. The results show, that these assumptions are too restrictive. To obtain reliable transfer velocities with a high temporal resolution, the development of a model independent analysis method is necessary.

Translation of abstract (German)

Aktive Thermographie ermöglicht die Messung von Wärmetransferraten mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. Da Wärme-, Impuls- und Gasaustausch durch die selben physikalischen Prozesse gesteuert werden, kann eine gemessene Transferrate für Wärme auf die von Gasen umskaliert werden. Jedoch ist diese Skalierung auf Grund der großen Unterschiede in den Diffusionskonstanten umstritten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden gleichzeitig Wärme- und Gasauschtauschmessungen unter Laborbedingungen durchgeführt. Mit Hilfe einer Amplitudendämpfungsanalyse, bei der die Systemantworten auf unterschiedliche, großflächige Laser-Anregungen untersucht werden, konnte eine gute Übereinstimmung zwischen den skalierten Wärme- und Gasaustauschraten gefunden werden. Die Ergebnisse der Labormessungen zeigen, dass unter der Voraussetzung eines bekannten Schmidtzahlexponenten, die Skalierung von Wärme- auf Gasaustauschgeschwindigkeiten möglich ist. Während drei Messkampagnen in der Ostsee wurden Wärmetransferraten zuverlässig bestimmt. Die erhaltenen Werte liegen in einem, aus den Labormessungen im Aeolotron erwarteten Bereich und zeigen, dass die Windgeschwindigkeit alleine nicht ausreicht um den Gasaustausch zu parametrisieren. Auf Grund der notwendigen Anregungen mit verschiedenen Frequenzen beträgt die Messzeit pro zu bestimmender Austauschrate etwa 30 Minuten. Für eine detaillierte Untersuchung der zugrunde liegenden physikalischen Transportprozesse wurden bei zusätzlichen Labormessungen zwei weitere schnelle Analysemethoden auf der Basis des Oberflächenerneuerungsmodells evaluiert. Die dabei verwendeten Modellannahmen erwiesen sich als zu einschränkend. Zur verlässlichen Bestimmung von zeitlich hoch aufgelösten Transferraten ist die Entwicklung eines modellunabhängigen Verfahrens notwendig.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schöler, Prof. Dr. Heinz Friedrich
Date of thesis defense: 11 April 2014
Date Deposited: 09 May 2014 08:14
Date: 2014
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
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