Laborexperimente zum Wärme- und Gasaustausch an der Wasser-/Luftgrenzfläche angetrieben durch Oberflächenkühlung: innovative simultane Wärmebild- und optische Sauerstoffkonzentrationsmessungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die meisten Modelle zur Vorhersage des Gastransferkoeffizienten an der Wasser-/Luftgrenzfläche beruhen nach wie vor hauptsächlich auf empirisch ermittelten Gleichungen, in denen meistens nur die Windgeschwindigkeit als Parameter in Betracht gezogen wird, obwohl der Beitrag des temperaturbedingten Auftriebs zum Gesamttransfer signifikant ist, vor allem bei schwachen bis mittleren Windbedingungen. Um die Genauigkeit der Bestimmung des Gastransferkoeffizienten an der Grenzfläche zu verbessern, wird eine detaillierte Beschreibung des auftriebsgesteuerten Gasaustausches in tiefen Wasserkörpern benötigt. Da bei mäßig bis schwer löslichen Gasen (z.B. Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan) der Stofftransfer in einer sehr dünnen Schicht an der Wasseroberfläche stattfindet, ist es eine besondere Herausforderung die Transportprozesse innerhalb dieser dünnen Schicht aufzulösen. In diesem Projekt wird der Transferprozess von Wärme- und Gas, induziert durch Oberflächenkühlung bei gleichzeitigem Messen der dynamischen Verteilung von Temperatur auf der Wasseroberfläche und Gaskonzentration in einem vertikalen Schnitt im Wasserkörper, untersucht. Hierzu wird ein kombiniertes intensity-lifetime-based laser induced fluorescence System entwickelt und eingesetzt, um die Sauerstoffdynamik in der Nähe der Wasseroberfläche aufzulösen. Um die Dynamik der Wärmestrukturen an der Oberfläche zu erfassen, wird eine hochpräzise Infrarot Kamera eingesetzt. Eine Reihe von Messungen für Rayleighzahlen im Bereich von 1.4 × 10^9 bis zu 3.3 × 10^10 wurde durchgeführt. Dies ermöglicht den Zusammenhang zwischen der Transfergeschwindigkeit, die durch direkte Quantifizierung anhand der detaillierten simultanen Messungen ermittelt wurden, und der Rayleighzahl zu bestimmen. Visualisierungen zeigten die zeitliche und räumliche Dynamik der Konzentrationsgrenzschicht sowie die Strukturentwicklungen der tiefsinkenden Plumes und der kleinskaligen Plumes, die in der Nähe der Oberfläche verweilen, welche typischerweise unter konvektionsinduzierter Strömung zu finden sind. Die Korrelation zwischen den Wärmestrukturen an der Oberfläche und gas Plumes konnten untersucht werden. Des Weiteren wurde der Zusammenhang zwischen deren geometrischen Merkmale und der Wärme- und Gasflüsse untersucht. Darüber hinaus wurden direkte numerische Simulationen durchgeführt, um die Effekte, der durch den Oberflächentemperaturgradienten induzierten Marangoni-Kräfte, auf den Gasaustausch zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die experimentellen und numerischen Daten sich gegenseitig ergänzen, was zu einem besseren Verständnis des untersuchten Prozesses führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Imaging bioirrigation using a novel lifetime-based laser induced fluorescence (τ LIF) technique. In The 5th Nereis Park Conference ”Biological modification of the seabed: biogeochemical and ecological processes in a changing world, Southampton, NY, USA, 2017
Murniati, E., Herlina, H. & Lorke, A.
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Measurements of surface-cooling induced gas-transfer using fluorescence-lifetime imaging (FLI) technique. In The 8th International Symposium on Gas Transfer at Water Surfaces, Plymouth, UK, 2022
Murniati, E., Eiff, O. & Herlina, H.
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Simulation of high-intensity isotropic turbulence driven gas transfer. In The 8th International Symposium on Gas Transfer at Water Surfaces, Plymouth, UK, 2022
Herlina, H. & Wissink, J. G.
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Surface-temperature-induced Marangoni effects on developing buoyancy-driven flow. Journal of Fluid Mechanics, 962.
Wissink, Jan G. & Herlina, H.
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Unsteady flow and mass transfer induced by e Rayleigh-B´nard-Marangoni convection. In MathSEE Symposium, Karlsruhe, Germany, 2023
Herlina, H. & Wissink, J. G.
