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Bubble characteristics from breaking waves in fresh water and simulated seawater

Flothow, Leonie

German Title: Blasencharakteristiken von brechenden Wellen in Süßwasser und simuliertem Meerwasser

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Abstract

The appearance of bubbles was determined in three different wind wave facilities utilizing an optical bright field technique. Based on the bubble detection algorithm by W. Mischler [20], an algorithm has been developed by means of which bubbles and their sizes can be detected automatically. The method is applicable up to moderate to high bubble densities. At the Aeolotron bubble detection up to the water surface is feasible. It has been shown that the density of bubbles correlates to wind speed, water conditions, the distance to the water surface as well as to the tank geometry. Observations show an increased bubble density in salt water compared to fresh water at the same wind conditions. A study on the influence of lower Butanol concentrations of about 50ml/m^3 was carried out. Low Butanol concentrations in the water lead to an increased density of bubbles and additionally, as could be shown in the Aeolotron, a significant increase of very small bubbles (r<65µm). Adding Butanol seems to be a good, non-corrosive substitute for seawater. The influence of the fetch length was systematically researched by carrying out measurement series in the annular wind wave facility in Heidelberg as well as measurement series in linear wind wave facilities in Marseille, France and Kyoto Japan, both of which have different sizes and fetch lengths. Comparing these three wind wave facilities a high correlation between the appearance of bubbles and the fetch length could be detected. Analysis of fresh water measurements at hurricane like wind conditions lead to the discovery of a saturation effect on the appearance of bubbles.

Translation of abstract (German)

In drei verschiedenen Wind-Wellenkanälen wurde das Auftreten von Blasen mithilfe einer optischen Hellfeldmethode untersucht. In Anlehnung an den Blasendetektionsalgorithmus von W.Mischler [20] ist ein Algorithmus entwickelt worden, mit dessen Hilfe Blasen und deren Radien automatisiert detektiert werden können. Diese Methode in zuverlässig anwendbar bis zu mittleren bis hohen Blasendichten und ermöglicht im Heidelberger Wind-Wellenkanal Blasendetektionen bis an die Wasseroberfläche. Die Abhängigkeit der Blasendichten von der Windgeschwindigkeit, den Wasserbedingungen, dem Abstand zur Wasseroberfläche und der Geometrie des Kanals konnte gezeigt werden. Beobachtungen zeigen ein gesteigertes Aufkommen bei gleichen Windverhältnissen von Blasen in Salzwasser im Vergleich zu Süßwasser. Der Einfluss von geringen Butanolkonzentrationen von etwa 50ml/m^3 auf Süßwasser wurde hinsichtlich Blasen untersucht. Genannte Butanolkonzentrationen im Wasser führen zu einer erhöhten Blasendichte und, wie am Aeolotron gezeigt werden konnte, einem signifikaten Anstieg sehr kleiner Blasen (r<65µm). Die Zugabe von Butanol scheint ein guter, nicht korrosiver Ersatz für Meerwasser zu sein. Durch den ringförmigen Kanal in Heidelberg und zwei lineare Kanäle unterschiedlicher Größe und Windstreichlänge in Marseille, Frankreich und Kyoto, Japan, konnte der Einfluss der Windstreichlänge untersucht werden. Im Vergleich der drei Wind-Wellenkanälen zeichnet sich eine starke Abhängigkeit im Blasenaufkommen von der Windstreichlänge ab. Bei Analysen von Süßwassermessungen bei hurrikanähnlichen Windbedingungen (maximales u10=67m/s), wurde ein Sättigungseffekt für das Aufkommen von Blasen entdeckt.

Item Type: Master's thesis
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 4 September 2017
Date Deposited: 05 Dec 2017 13:37
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: Gasblase, Optische Messtechnik
Uncontrolled Keywords: bubble size distribution, bubble characteristics, fresh water vs simulated seawater
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