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datestamp: 2017-06-01 08:55:57
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type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Haltebourg, Clemens
title: Modeling of Heat Exchange Across the Ocean Surface
as Measured by Active Thermography
title_de: Modellierung des mittels Aktiver Thermographie induzierten Wärmeaustausches über die Luft-Wasser Grenzfläche
subjects: 530
divisions: 130500
adv_faculty: af-13
abstract: A spatially and temporally instationary heat transfer equation is solved under a Neumann boundary condition that corresponds to an actively controlled heat flux onto the surface of a body of water. The partial differential equation needs to be closed by a model that specifes the structure of turbulence inside the heat boundary layer. A film model and two types of surface renewal models are studied, where for the surface renewal models closed
form solutions are derived and for the film model an approximation is given. A flow field is considered as it is expected to form within the viscous boundary layer under the action of a wind field exerting shear stress on the water surface. The solution is specialized to the spatio-temporal heat concentration field on the surface, allowing for determination of the shear momentum flux introduced by the wind field as well as the surface flow velocity
and heat transfer velocity. This is achieved by comparing the model predictions with infrared image sequences that measure the heat distribution on the water surface. Based
on theoretical results, an evaluation algorithm is developed and tested on data of laboratory measurements. Thereby it is revealed that a reliable determination of the shear momentum
flux requires a thorough selection of measurement conditions in that they are suitable for the available models. From the evaluation performed within this thesis, necessary conditions on future measurements can be derived that allow for a resilient contact-free, spatially and temporally highly resolved estimation of the shear momentum flux. The simultaneous determination of the heat transfer velocity assures that both quantities are subject to the same environmental conditions.
abstract_translated_text: Die räumlich und zeitlich instationäre Wärmeleitungsgleichung wird unter einer Neumann
Randbedingung gelöst. Die Randbedingung entspricht der Festlegung des Wärmeflusses am Rand des Betrachtungsvolumens, d.h. an der Oberfläche eines Wasserkörpers. Die partielle Differentialgleichung wird durch ein Turbulenzmodell der Wärmegrenzschicht geschlossen.
Hierfür werden ein Filmmodell sowie zwei Oberflächenerneuerungsmodelle untersucht, wobei für die Oberflächenerneuerungsmodelle explizite Lösungen abgeleitet werden, für das Filmmodell eine Näherungslösung. Es werden Strömungsverhältnisse angenommen, wie sie in der viskosen Grenzschicht unter der Scherkraftwirkung eines äusseren Windfeldes erwartet werden. Betrachtet man die Lösung des raumzeitlichen Wärmekonzentrationsfeldes an der Oberfläche, so lassen sich der durch das Windfeld eingetragene Impulsfluss, die Oberflächenströmungsgeschwindigkeit sowie die Wärmetransfergeschwindigkeit aus der Analyse von Infrarotbildsequenzen und dem Vergleich mit Modellvorhersagen gewinnen. Basierend auf den theoretischen Ergebnissen wird ein Datenauswertealgorithmus entwickelt und auf Labormessdaten angewendet. Dabei zeigt sich, dass eine belastbare Messung des eingetragenen Impulsflusses eine sorgfältige, auf die verfügbaren Modelle abgestimmte Auswahl von Messbedingungen erfordert. Aus den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Analysen lassen sich notwendige Bedingungen an künftige Messungen ableiten, die eine zuverlässige berührungslose sowie räumlich und zeitlich hochauflösende Bestimmung des Impulsflusses
ermöglichen. Die simultane Ermittlung der Wärmetransfergeschwindigkeit garantiert, dass
beide Parameter anhand derselben Umweltbedingungen parametrisiert werden können.
abstract_translated_lang: ger
date: 2017
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00022980
ppn_swb: 1659191580
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-229801
date_accepted: 2017-05-03
advisor: HASH(0x556120cdc878)
language: eng
bibsort: HALTEBOURGMODELINGOF2017
full_text_status: public
citation:   Haltebourg, Clemens  (2017) Modeling of Heat Exchange Across the Ocean Surface as Measured by Active Thermography.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/22980/1/Doktorarbeit_1Ab.pdf