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Laboratory investigations of concentration and wind profiles close to the wind-driven wavy water surface

Friman, Sonja Isabella

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Abstract

Studying the air- and water-sided boundary layers is vital to understand the exchange of momentum and gases between ocean and atmosphere. While the water-sided mass boundary layer can be studied with several imaging techniques, no such technique was available for the air side. In the scope of this thesis, a laser-induced fluorescence (LIF) technique was developed, where the tracer sulfur dioxide (SO2) is illuminated with a UV laser and its fluorescence is imaged, yielding near-surface concentration profiles of SO2 with a resolution of up to 20 μm. The profiles can be used to quantify reliable boundary layer thicknesses and gas transfer velocities, which was shown in a proof-of-principle experiment in a wind-wave tank.

In a second experiment at two fetches of a larger wind-wave tank, the SO2 LIF technique was employed together with particle streak velocimetry, measuring local wind speeds, and surface elevation measurements. This experiment is the first simultaneous and collocated measurement of mass and momentum transfer in the air-sided mass boundary layer. The mean concentration and wind speed profiles as well as their fluctuations were analyzed and compared. Including the surface elevations, the modulation of the transport processes by waves was analyzed, resulting in wave-phase averaged transfer velocities.

Translation of abstract (German)

Die Untersuchung der luft- und wasserseitigen Grenzschichten ist wichtig für das Verständnis vom Transport von Impuls und Gasen zwischen Ozean und Atmosphäre. Während die wasserseitige Grenzschicht mit mehreren bildgebenden Techniken untersucht werden kann, gab es noch keine derartige Technik für die Luftseite. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)-Technik entwickelt, in der der Tracer Schwefeldioxid (SO2) mit einem UV-Laser beleuchtet und seine Fluoreszenz abgebildet wird, was oberflächennahe Konzentrationsprofile von SO2 mit einer Auflösung von bis zu 20 μm ergibt. Die Profile können für die zuverlässige Quantifizierung von Grenzschichtdicken und Gastransfergeschwindigkeiten genutzt werden, was in einer Machbarkeitsstudie in einem Wind-Wellen-Kanal gezeigt wurde.

In einem zweiten Experiment an zwei Fetches in einem größeren Wind-Wellen-Kanal wurde die SO2 LIF-Technik zusammen mit particle streak velocimetry, welche lokale Windgeschwindigkeiten misst, und Messung der Höhe der Oberfläche eingesetzt. Dieses Experiment ist die erste zeitlich und örtlich simultane Messung von Massen- und Impulstransfer in der luftseitigen Massengrenzschicht. Die gemittelten Konzentrations- und Windprofile sowie ihre Fluktuationen wurden analysiert und verglichen. Mithilfe der Oberflächenhöhen wurde auch die Modulation der Transportprozesse durch die Wellen analysiert. Dies resultierte in nach der Wellenphase gemittelten Transfergeschwindigkeiten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 22 April 2020
Date Deposited: 18 May 2020 13:43
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Gasaustausch, Impulstransport, Wind-Wellen-Kanal, Laserinduzierte Fluoreszenz, Particle-Streak-Velocimetry, UV-Spektroskopie
Uncontrolled Keywords: gas transfer, momentum transfer, mass boundary layer, wind-wave tank, laser-induced fluorescence, particle streak velocimetry, UV spectroscopy, gas transfer velocity, friction velocity
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