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Untersuchungen statistischer und geometrischer Eigenschaften von Windwellen und ihrer Wechselwirkungen mit der wasserseitigen Grenzschicht

Balschbach, Günther Wilhelm

English Title: An Observational Study of Statistical and Geometrical Properties of Wind Waves and their Interaction with the Aqueous Boundary Layer

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PDF, German
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Abstract

Durch die Erweiterung auf Farbbildverarbeitung konnte eine vorhandene, auf Refraktion basierende Technik zur Erfassung der Oberflächenneigung von Wasserwellen wesentlich verbessert werden. Diese neue Mehrkanaltechnik leitet sich von der photometrischen Stereoanalyse ab, die bei der Bestimmung der Form opaker Objekte verwedet wird. Mit Hilfe der drei Kanäle einer Farbvideokamera werden beide Komponenten des Gradienten der Wasseroberfläche simultan bestimmt. Die dritte Information ermöglicht eine pixelweise Normierung auf die Gesamtintensität der Beleuchtung, was zu einer erheblich verbesserten Linearität und Robustheit des Systems führt. Störungen durch inhomogene Beleuchtung oder Verunreinigungen im Wasser können so fast vollständig eliminiert werden. Für kombinierte Messungen kann auf einen der Farbkanäle verzichtet werden, um eine weiterer Beleuchtung zu realisieren. Dabei erhält die Beschränkung auf eine Neigungskomponente die Möglichkeit zur Normierung. An zwei Wind-Wellen-Kanälen wurden geometrische und statistische Untersuchungen des Wellenfeldes durchgeführt und mit Ergebnissen anderer Autoren verglichen. Zwei kombinierte Experimente wurden realisiert, wobei auf unterschiedlichen Skalen simultan Turbulenz unter der beobachteten Wasseroberfläche analysiert wurde. Auf 10cm x 10cm wurden von Hering [1996] Energiedichte und Wirbelstärke des Strömungsfeldes bestimmt. Im zweiten gemeinsamen Experiment wurden von Münsterer [1996] in einem 4cm x 4cm großen Ausschnitt Konzentrationsprofile eines gelösten Gases in der viskosen Grenzschicht gemessen. Beide Messungen gaben bisher einzigartige Einblicke in die Wechselwirkung von Kapillarwellen und Turbulenz im Strömungsfeld bzw. in der viskosen Grenzschicht.

Translation of abstract (English)

Using color image processing a refraction based technique for retrieving the slope of a water surface covered with waves has been substantially improved. This multichannel technique is similar to photometric stereo analysis for opaque surfaces. The three independend channels of a color camera allow simultaneous detection of both surface gradient components. The third information is used for normalization to the total illumination intensity for every individual pixel, leading to an increased linearity and enhanced robustness. Errors due to inhomogeneous illumination or disturbance by small particles in the water can be corrected almost completely. For combined measurements the technique can be reduced to two colors. Measuring only one slope component normalization is still possible. At two wind/wave facilities statistical and geometrical information for small scale waves were obtained and compared to results from authors using other techniques. Two combined experiments were conducted. At different scales the wave field and the underlying flow field were observed simultaneously. Hering [1996] computed kinetic energy density and vorticity of the flow field in a 10cm x 10cm frame. In the second combined experiment Münsterer [1996] measured concentration profiles of a tracer gas in a 4cm x 4cm section in the viscous boundery layer. Both experiments provided new insights in the interaction between capillary waves, turbulence in the flow field and in the boundary layer respectively.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Bernd
Date of thesis defense: 25 February 2000
Date Deposited: 23 Jul 2002 00:00
Date: 2000
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: xxx
Uncontrolled Keywords: Wasserwellen , Farbbildverarbeitung
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