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Active Thermography as a Tool for the Estimation of Air-Water Transfer Velocities

Kunz, Jakob

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Abstract

Active thermography offers a tool that can be used to measure air-water transfer velocities at spatial and temporal scales unprecedented by any other measurement technique available. Key to successful measurements is the precise control of a locally applied heat flux density at the water surface. A new way of beam shaping with diffractive optical elements is introduced that significantly increases the spatial homogeneity of the heat flux density. A new multifrequency excitation scheme is developed and successfully implemented that reduces measurement times by a factor of 4 to 12 depending on wind speed. Systematic studies about the dependence of heat transfer on surfactant concentration and fetch length are carried out in the annular wind-wave facility Aeolotron in Heidelberg. The presence of the artificial surfactant Triton X-100 reduces heat transfer for an intermediate wind speed range, but not for extremely low or for high wind speeds. It is found that the heat transfer velocity is strongly dependent on fetch length for low wind speeds. Experiments in the Aeolotron with actual sea water from the North Sea containing natural surfactants show similar results as the measurements with the artificial surfactant Triton X-100. A measurement series in the linear wind-wave facility Pytheas in Marseille, France, shows that wave breaking enhances heat transfer in an intermediate wind speed regime. Simultaneous measurements of heat and gas transfer velocities are in agreement with each other for the sea water conditions investigated in the Aeolotron, when scaled to the transfer velocity of a gas with the same Schmidt number. However, heat transfer velocities are measured to be twice as large as gas transfer velocities in another experimental series with unknown biological activity in the Aeolotron.

Translation of abstract (German)

Die aktive Thermographie stellt ein Werkzeug zur Messung des Wärmeaustauschs zwischen Luft und Wasser dar, das eine zeitliche und räumliche Auflösung bietet, die sonst keine andere Messtechnik erreicht. Eine Schlüsselkomponente für erfolgreiche Messungen ist die präzise Kontrolle einer lokal induzierten Wärmeflussdichte an der Wasseroberfläche. Eine neue Art der Strahlformung mithilfe von diffraktiven optischen Elementen wird vorgestellt, die die räumliche Homogenität der Wärmeflussdichte signifikant erhöht. Ein neues Anregungsschema, das auf einer Multifrequenzanregung basiert, wird entwickelt und erfolgreich umgesetzt. Dieses Anregungsscheme verringert die Messzeit je nach Windgeschwindigkeit um einen Faktor 4 bis 12. Systematische Untersuchungen der Abhänigkeit des Wärmeaustauschs von Oberflächenfilmkonzentrationen und von der Windwirklänge werden im runden Wind-Wellen Kanal Aeolotron in Heidelberg durchgeführt. Der künstliche Oberflächenfilm Triton X-100 reduziert den Wärmeaustausch in einem mittleren Windgeschwindigkeitsbereich, hat aber keinen Einfluss für sehr kleine oder große Windgeschwindigkeiten. Es stellt sich heraus, dass der Wärmeaustausch für kleine Windgeschwindigkeiten sehr stark von der Windwirklänge abhängt. Experimente im Aeolotron mit echtem Meerwasser aus der Nordsee, die natürliche Oberflächenfilme enthalten, zeigen ähnliche Ergebnisse wie die Messungen mit dem künstlichen Oberflächenfilm Triton X-100. Eine Messreihe im linearen Wind-Wellen Kanal Pytheas in Marseille, Frankreich, ergibt eine Erhöhung des Wärmeaustauschs durch Wellenbrechen in einem mittleren Windgeschwindigkeitsbereich. Gleichzeitige Messungen von Gas- und Wärmetransfergeschwindigkeiten stimmen für die Meerwassermessungen, die im Aeolotron durchgeführt werden, überein, wenn sie auf die Transfergeschwindigkeit eines Gases mit gleicher Schmidtzahl skaliert werden. In einem anderen Experiment am Aeolotron wird hingegen unter dem Einfluss unbekannter biologischer Aktivität eine doppelt so hohe Transfergeschwindigkeit aus der Messung des Wärmeaustauschs ermittelt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 19 April 2017
Date Deposited: 18 May 2017 09:49
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
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