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Spatio-Temporal Analysis of Flows Close to Free Water Surfaces

Jehle, Markus

German Title: Raumzeitliche Analyse von Strömungen an freien Wasseroberflächen

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Abstract

In order to examine the air-water gas exchange, a detailed knowledge is needed about the flow field within and beneath the water-side viscous boundary layer. Therefore a novel measurement technique is developed for the spatio-temporal analysis of flows close to free water surfaces. A fluid volume is illuminated by LEDs. Small spherical particles are added to the fluid, functioning as a tracer. A camera pointing to the water surface from above records the image sequences. The distance of the spheres to the surface is coded by means of a supplemented dye, which absorbs the light of the LEDs. By using LEDs flashing with two different wavelengths, it is possible to use particles variable in size. The velocity vectors are obtained by using an extension of the method of optical flow. The vertical velocity component is computed from the temporal change of brightness. Using 3D parametric motion models the shear stress at surfaces can be estimated directly, without previous calculation of the vector fields. Hardware and algorithmics are tested in several ways: A laminar falling film serves as reference flow. The predicted parabolic profile of this stationary flow can be reproduced very well. Buoyant convective turbulence acts as an example for an instationary inherently 3D flow. The direct estimation of the wall shear rate is applied to sequences recorded in the context of biofluidmechanics, revealing a substantial improvement compared to conventional techniques.

Translation of abstract (German)

Für Untersuchungen des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Ozean werden Kenntnisse über das Strömungsfeld in und unter der wasserseitigen viskosen Grenzschicht benötigt. Hierfür wurde eine neuartige Messtechnik zur raumzeitlichen Analyse von Strömungen nah an der Wasseroberfläche entwickelt. Ein Flüssigkeitsvolumen wird von LEDs durchleuchtet. Kleine sphärische Teilchen werden der Flüssigkeit beigemengt und dienen als Tracerpartikel. Eine Kamera, die von oben auf die Wasseroberfläche gerichtet ist, nimmt Bildsequenzen auf. Der Abstand einer Kugel zur Wasseroberfläche wird durch einen Licht absorbierenden Farbstoff kodiert. Indem man LEDs zweier verschiedener Wellenlängen benutzt, wird es möglich, Tracerpartikel verschiedener Größe zu verwenden. Die drei Geschwindigkeitskomponenten der Strömung erhält man, indemman eine Erweiterung der Methode des optischen Flusses verwendet, bei der die vertikale Geschwindigkeitskomponente aus der zeitlichen Helligkeitsänderung bestimmt wird. Indem dreidimensionale parametrische Bewegungsmodelle verwendet werden, kann die Schubspannung direkt, also ohne vorherige Berechnung der Geschwindigkeitsfelder, bestimmt werden. Hardware und Algorithmik werden auf verschiedene Arten getestet. Eine laminare Rieselfilmströmung dient als Referenz. Das vorhergesagte parabolische Profil dieser stationären Strömung kann mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden. Konvektive Turbulenz dient als Beispiel einer von Natur aus instationären dreidimensionalen Strömung. Aus Sequenzen, die aus der Biofluidmechanik stammen, wird direkt die Wandscherrate bestimmt, wobei eine wesentliche Verbesserung gegenüber konventionellen Methoden deutlich wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 20 December 2006
Date Deposited: 11 Jan 2007 13:48
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Dreidimensionale Strömung, Bildverarbeitung, Gasaustausch, Particle-Tracking-Velocimetry, Optische Strömungsmesstechnik, Geschwindigkeitsmessung
Uncontrolled Keywords: Optical Flow
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