eprintid: 14582
rev_number: 25
eprint_status: archive
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dir: disk0/00/01/45/82
datestamp: 2013-02-28 08:34:22
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status_changed: 2013-02-28 08:34:22
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Friedl, Felix
title: Investigating the Transfer of Oxygen at the Wavy Air-Water Interface under Wind-Induced Turbulence
title_de: Untersuchung des Sauerstoff Transfers an der Wellenbewegten Luft-Wasser Grenzfläche bei Windinduzierter Turbulenz
subjects: 530
divisions: 130500
adv_faculty: af-13
keywords: gas transfer velocity, wind-wave tunnel, laser-induced fluorescence, fluorescence quenching, Stern-Volmer equation, mass boundary layer, surface renewal model, small eddy model, friction velocity
cterms_swd: Gasaustausch
cterms_swd: Wind-Wellen-Kanal
cterms_swd: Laserinduzierte Fluoreszenz
cterms_swd: Lumineszenzlöschung
cterms_swd: Stern-Volmer-Gleichung
cterms_swd: Diffuse Grenzschicht
cterms_swd: Schubspannung
abstract: Local oxygen transfer velocities measured in a linear wind-wave tunnel with respect to wind speed and fetch are presented in this thesis. For this, a non-intrusive laser-induced fluorescence (LIF) method was developed to measure vertical oxygen concentration profiles in the water-sided mass boundary layer. The fluorophore used is a water soluble ruthenium complex, which is quenched according to the Stern-Volmer equation. This equation, which originally describes the quenching only for a weak excitation, was generalized for arbitrary laser irradiance. Measurements confirm this generalization and yield a new value for the Stern-Volmer constant.

The LIF method was applied with high spatial and temporal resolution of 6.2 µm and 1.2 kHz, respectively, in order to resolve the mass boundary layer and fast processes. To obtain mean oxygen concentration profiles with high precision, an algorithm was developed to detect the water surface in the recorded images. The measured mean concentration profiles show a transition in the self-similar shape with the onset of waves. The results for a flat water surface are in agreement with the surface renewal model. For a wavy water surface, the small eddy model and the surface renewal model both describe the data equally well. Vanishing oxygen concentration fluctuations at the flat water surface were measured, which is in agreement with existing models for a rigid interface. The local transfer velocities obtained from mean concentration profiles are best parametrized with the friction velocity. In this work, the great potential of LIF measurements to probe transfer velocities locally is demonstrated.
abstract_translated_text: Lokale Transfergeschwindigkeiten von Sauerstoff, die in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Windwirklänge in einem linearen Wind-Wellen Kanal gemessen wurden, werden in dieser Arbeit präsentiert. Dazu wurde eine berührungsfreie laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Methode entwickelt, um vertikale Sauerstoff Konzentrationsprofile in der wasserseitigen Massengrenzschicht zu messen. Der verwendete Farbstoff ist ein wasserlöslicher Ruthenium Komplex, dessen Quenchverhalten durch die Stern-Volmer Gleichung beschrieben wird. Diese Gleichung, die ursprünglich das Quenchen nur für eine schwache Anregung beschreibt, wurde für beliebige Laser Bestrahlungsstärken verallgemeinert. Messungen bestätigen die Verallgemeinerung und ergeben einen neuen Wert für die Stern-Volmer Konstante.

Die LIF Methode wurde mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung von 6.2 µm und 1.2 kHz angewendet, um die Massengrenzschicht und schnelle Prozesse auflösen zu können. Um mittlere Konzentrationsprofile mit einer hohen Präzision zu erhalten, wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Wasseroberfläche in den aufgenommenen Bildern detektiert. Die mittleren Konzentrationsprofile weisen einen Übergang in ihrer selbstähnlichen Form mit dem Einsetzten von Wellen auf. Die Ergebnisse für eine flache Wasseroberfläche stimmen mit dem Oberflächenerneuerungsmodell überein. Für eine wellige Wasseroberfläche werden die Daten von dem Oberflächenerneuerungsmodell und dem Diffusionsmodell gleich gut beschrieben. An der flachen Wasseroberfläche wurden verschwindend geringe Konzentrationsfluktuationen gemessen, was mit gängigen Modellvorhersagen für eine starre Grenzfläche in Einklang ist. Die lokalen Transfergeschwindigkeiten, ermittelt durch mittlere Konzentrationsprofile, werden am besten durch die Schubspannungsgeschwindigkeit parametrisiert. Diese Arbeit zeigt die großen Möglichkeiten von lokalen LIF Messungen auf, um lokale Transfergeschwindigkeiten zu bestimmen.
abstract_translated_lang: ger
date: 2013
id_scheme: DOI
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ppn_swb: 1652153209
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-145826
date_accepted: 2013-02-06
advisor: HASH(0x556120a130d8)
language: eng
bibsort: FRIEDLFELIINVESTIGAT2013
full_text_status: public
citation:   Friedl, Felix  (2013) Investigating the Transfer of Oxygen at the Wavy Air-Water Interface under Wind-Induced Turbulence.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/14582/1/Friedl_Diss.pdf