English Title: Evaluation of the PSV-system for measuring the streaming profiles right above the wave-driven water surface

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Abstract

Zur Untersuchung des Impulstransportes über die windbeeinflusste Luft-Wasser-Grenze wurde am linearen Wind-Wellen-Kanal der Universität Heidelberg ein neuer Versuchsaufbau realisiert. Dieser ermöglicht die zweidimensionale Bildgebung der Geschwindigkeitsfelder mithilfe der Particle-Streak-Velocimetry unter Verwendung von mit dem Fluoreszenzfarbstoff Pyranin versetzten Nebeltröpfchen als Tracern. Dabei wurde erstmals keine separate Laser-Height-Camera zur Messung der Wasserhöhe verwendet, sondern beide Techniken in einer Kameraufnahme kombiniert. Zusätzlich wurde zu jeder luftseitigen Grenzschicht simultan ein Bild der wasserseitigen aufgenommen. Die Messreihen wurden durchgeführt bei einem Fetch von 244cm und mit einer Bildrate von 300Hz. Untersucht wurden anhand dieser Datensätze zum einen die Praktikabilität der bisherigen Auswertungsalgorithmen, zum anderen mit einem neuen Ansatz der Bildauswertung die Bereiche der viskosen Grenzschicht, wasser- und luftseitig. Aus ersterem folgt die Notwendigkeit effizienterer und schnellerer Algorithmen, letztere zeigte, dass der neue Ansatz den Anforderungen der Particle-Streak-Velocimetry genügt. Darüber hinaus konnten die Geschwindigkeit der Wasseroberfläche visualisiert und Indizien für eine intermittierende Oberflächenerneuerung des Wassers gefunden werden.

Translation of abstract (English)

To investigate the momentum transport across the wind-influenced air-water-boundary, a new experimental setup was realised at the linear wind-wave facility at Heidelberg University. This enables the two-dimensional imaging of the velocity fields with the help of Particle-Streak-Velocimetry using fog droplets containing the fluorescent dye pyranine as tracers. For the first time, no separate Laser-Height-Camera was used, but both techniques were combined in one camera image. In addition, an image of the water side boundary layer was taken simultaneously for each air side image. The measurements were carried out at a fetch of 244cm and a frame rate of 300Hz. Using these data sets, the practicability of the previous evaluation algorithms was investigated. In addition, the dimension, of the viscous boundary layers, on the water and air side, were quantified using a new image evaluation approach. From the former follows the need for more efficient and faster algorithms, the latter showed that the new approach meets the requirements of Particle-Streak-Velocimetry. Furthermore, the velocity of the water surface was visualised and indications for an intermittent surface renewal of the water were found.