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Spatio-Temporal Measurement of Short Wind-Driven Water Waves

Rocholz, Roland

German Title: Räumliche und zeitliche Messung kleinskaliger, windgetriebener Wasserwellen

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Abstract

Spatio-temporal measurements of wind-driven short-gravity capillary waves are reported for a wide range of experimental conditions, including wind, rain and surface slicks. The experiments were conducted in a linear wind wave flume and for the water surface elevation eta(x,y,t) both components of the slope field s = grad eta were measured optically. For this the color imaging slope gauge (CISG) was realized, comprising a range of wavenumbers k = sqrt(kx^2 + ky^2) from 60 to 4500 rad/m. The instrument was improved to achieve a sampling rate of 312.5 Hz, which now allows for the computation of 3D wavenumber-frequency spectra S(kx, ky, omega). Using a new calibration method it was possible to correct for the intrinsic nonlinearities of the instrument in the slope range up to ±1. In addition, the Modulation Transfer Function (MTF) was measured and employed for the contrast restoration of the data. The results are generally consistent with former measurements. But, the shape of the saturation spectra in the vicinity of k > 1000 rad/m stands in contradiction to former investigations where a sharp spectral cutoff (propto k^(-2) or k^(-3)) is commonly reported. The new MTF corrected spectra show just a gentle decrease (between k^(-0.5) and k^(-1)) for k >1000 rad/m, which has implications for the modeling of the energy fluxes in the wave field. Concerning the dispersion relation, a first approach for a quantitative evaluation of the wavenumber-frequency spectrum is shown. This includes estimates of the surface tension and the Doppler shift due to the surface shear flow and the wave-wave modulations. The wave measurements were accompanied by synchronized and spatially coinciding measurements of the surface temperature by means of infrared imagery. The temperature data is mapped onto an animated graphical model of the reconstructed surface elevation using a new interactive visualization tool. This allows for an investigation of intermittent small scale processes that are influencing the transfer of heat and gases at the air-water interface, such as microscale wave breaking, small scale Langmuir circulations, and the impact of rain drops.

Translation of abstract (German)

Ergebnisse zur raum-zeitlichen Messung von kleinskaligen windgetriebenen Wasserwellen werden für einen weiten Bereich experimenteller Bedingungen (Wind, Regen, Oberflächenfilme) präsentiert. Die Experimente wurden in einem linearen Wind-Wellen-Kanal durchgeführt und beide Komponenten des Gradienten der Wasseroberflächenauslenkung s(x,y,t)= grad eta(x,y,t) wurden optisch gemessen. Dazu wurde eine bildgebende Technik (CISG) eingesetzt. Der Bereich der erfasstenWellenzahlen k = sqrt(kx^2 + ky^2) reicht von 60 bis 4500 rad/m. Die CISG wurde verbessert, um eine Bildwiederholrate von 312.5 Hz zu erreichen, wodurch nun die Berechnung von 3D Wellenzahl-Frequenz-Spektren S(kx, ky, omega) möglich ist. Eine neue Methode zur Kalibrierung wurde entwickelt, die erstmals die Korrektur der intrinsischen Nichtlinearitäten des Instruments für einen Neigungsbereich bis zu ±1 ermöglicht. Desweiteren wurde die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) gemessen und zur Kontrast-Restauration eingesetzt. Im allgemeinen sind die Ergebnisse konsistent mit vorhergehenden Messungen. Allerdings steht die Wellenzahlabhängigkeit der Sättigungsspektren im Bereich von k > 1000 rad/m im Widerspruch zu frühreren Untersuchungen in denen ein scharfer spektraler Abfall berichtet wurde (propto k^(-2) or k^(-3)). Die neuen MTF-korrigierten Spektren zeigen hingegen nur einen sanften Abfall (zwischen k^(-0.5) and k^(-1)) für k >1000 rad/m, welches von Bedeutung für die Modellierung des Energietransfers im Wellenfeld ist. Bezüglich der Dispersionsrelation wird ein quantitativer Ansatz zur Auswertung der Wellenzahl-Frequenz-Spektrums vorgestellt. Dieser beinhaltet Abschätzungen der Oberflächenspannung sowie der Dopplerverschiebung aufgrund der Scherströmung und der Wellen-Wellen-Modulationen. Die Wellenmessungen wurden begleitet von synchonisierten und räumlich übereinstimmenden Aufnahmen der Oberflächentemperatur mittels einer Infrarotkamera. Mit einem neuen interaktiven Visualisierungswerkzeug werden die Temperaturdaten auf ein animiertes graphisches Modell der rekonstruierten Wasseroberfläche projiziert. Dies erlaubt die Untersuchung der lokalisierten und sporadischen Prozesse, die den Austausch von Wärme und Gasen an der Luft-Wasser-Phasengrenze kontrollieren, wie z.B. kleinskaligesWellenbrechen, Micro-Langmuir-Zirkulationen und das Einschlagen von Regentropfen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 3. December 2008
Date Deposited: 17. Dec 2008 14:48
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Wind-Wasser Wellen , Sättigungsspektrum , Wellenzahl-Frequenz Spektren , CISG , Kapillar-Schwerewellenshort-gravity capillary water waves , saturation spectrum , wavenumber-frequency spectrum , CISG
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