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Modeling of Heat Exchange Across the Ocean Surface as Measured by Active Thermography

Haltebourg, Clemens

German Title: Modellierung des mittels Aktiver Thermographie induzierten Wärmeaustausches über die Luft-Wasser Grenzfläche

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Abstract

A spatially and temporally instationary heat transfer equation is solved under a Neumann boundary condition that corresponds to an actively controlled heat flux onto the surface of a body of water. The partial differential equation needs to be closed by a model that specifes the structure of turbulence inside the heat boundary layer. A film model and two types of surface renewal models are studied, where for the surface renewal models closed form solutions are derived and for the film model an approximation is given. A flow field is considered as it is expected to form within the viscous boundary layer under the action of a wind field exerting shear stress on the water surface. The solution is specialized to the spatio-temporal heat concentration field on the surface, allowing for determination of the shear momentum flux introduced by the wind field as well as the surface flow velocity and heat transfer velocity. This is achieved by comparing the model predictions with infrared image sequences that measure the heat distribution on the water surface. Based on theoretical results, an evaluation algorithm is developed and tested on data of laboratory measurements. Thereby it is revealed that a reliable determination of the shear momentum flux requires a thorough selection of measurement conditions in that they are suitable for the available models. From the evaluation performed within this thesis, necessary conditions on future measurements can be derived that allow for a resilient contact-free, spatially and temporally highly resolved estimation of the shear momentum flux. The simultaneous determination of the heat transfer velocity assures that both quantities are subject to the same environmental conditions.

Translation of abstract (German)

Die räumlich und zeitlich instationäre Wärmeleitungsgleichung wird unter einer Neumann Randbedingung gelöst. Die Randbedingung entspricht der Festlegung des Wärmeflusses am Rand des Betrachtungsvolumens, d.h. an der Oberfläche eines Wasserkörpers. Die partielle Differentialgleichung wird durch ein Turbulenzmodell der Wärmegrenzschicht geschlossen. Hierfür werden ein Filmmodell sowie zwei Oberflächenerneuerungsmodelle untersucht, wobei für die Oberflächenerneuerungsmodelle explizite Lösungen abgeleitet werden, für das Filmmodell eine Näherungslösung. Es werden Strömungsverhältnisse angenommen, wie sie in der viskosen Grenzschicht unter der Scherkraftwirkung eines äusseren Windfeldes erwartet werden. Betrachtet man die Lösung des raumzeitlichen Wärmekonzentrationsfeldes an der Oberfläche, so lassen sich der durch das Windfeld eingetragene Impulsfluss, die Oberflächenströmungsgeschwindigkeit sowie die Wärmetransfergeschwindigkeit aus der Analyse von Infrarotbildsequenzen und dem Vergleich mit Modellvorhersagen gewinnen. Basierend auf den theoretischen Ergebnissen wird ein Datenauswertealgorithmus entwickelt und auf Labormessdaten angewendet. Dabei zeigt sich, dass eine belastbare Messung des eingetragenen Impulsflusses eine sorgfältige, auf die verfügbaren Modelle abgestimmte Auswahl von Messbedingungen erfordert. Aus den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Analysen lassen sich notwendige Bedingungen an künftige Messungen ableiten, die eine zuverlässige berührungslose sowie räumlich und zeitlich hochauflösende Bestimmung des Impulsflusses ermöglichen. Die simultane Ermittlung der Wärmetransfergeschwindigkeit garantiert, dass beide Parameter anhand derselben Umweltbedingungen parametrisiert werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 3 May 2017
Date Deposited: 01 Jun 2017 08:55
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
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