Visualization of Near-Surface Flow Patterns for Air-Water Gas Transfer (original) (raw)

Near-surface flow patterns and their influence on local transport processes are investigated in a horizontal plane with visualization techniques. For this, a new method was developed that produces tracer particles with high effective Schmidt number (Sc = O(10 6)) by chemical reaction directly at the water surface. While different chemical systems were tried, best results were achieved using the precipitate AgCl, formed by AgNO 3 in the water body and a controlled influx of HCl gas. Trace amounts of precipitate are made visible by scattering laser light. Using the new method, the influence of wind induced turbulences at the water interface can be investigated with previously unachieved sensitivity. Illumination of the wavy water surface leads to shadowing and lensing effects that become apparent in the image data and cannot fully be compensated for with image processing. The results are qualitatively compared to data from active thermography (heat, Pr ≈ 7) and boundary layer imaging (gas, Sc ≈ 600), showing a close resemblance of the flow pattern. With higher Schmidt number of the tracer, the structure becomes more pronounced and higher sensitivity to surface convergence is observed. Experiments with glass spheres (d = 70 µm-2 mm, Sc → ∞) were conducted for further comparison. Tracking of individual particles allows for a precise measurements of the surface velocity and investigations of the local momentum transfer. Zusammenfassung Strömungsmuster nahe der Wasseroberfläche und ihre Auswirkungen auf lokale Transportprozesse werden mit Visualisierungsmethoden in horizontaler Ebene untersucht. Dafür wurde eine neue Technik entwickelt, die Tracerpartikel mit hoher effektiver Schmidtzahl (Sc = O(10 6)) direkt an der Wasseroberfläche durch chemische Reaktionen erzeugt. Unter verschiedenen getesteten chemischen Systemen ist eine Ausfällung von AgCl, erreicht durch in Wasser gelöstes AgNO 3 und kontrollierte Einfuhr von HCl in den Luftraum, am besten geeignet. Bereits geringe Teilchenkonzentrationen können durch die Streuung von Laserlicht sichtbar gemacht werden. Mit der neuen Methode kann der Einfluss von windinduzierten Turbulenzen an der Oberfläche mit bisher unerreichter Empfindlichkeit nachgewiesen und untersucht werden. Für höhere Windbedingungen führen Abschattungen und Reflektionen der Beleuchtung an der Wasseroberfläche zu Störungen, welche auch mit aufwändigen Bildverarbeitungsmethoden nicht hinreichend behoben werden können. Die Resultate werden qualitativ mit Daten aus der Thermographie (Wärme, Pr ≈ 7) sowie der Grenzschichtdickenvisualisierung (Gas, Sc ≈ 600) verglichen, wobei eine starke Ähnlichkeit der Strömungsmuster beobachtet wird. Mit ansteigender Schmidtzahl der Tracer wird eine klarere Struktur und größere Empfindlichkeit für Oberflächenkonvergenz beobachtet. Zum weiteren Vergleich wurden Experimente mit Glaskugeln (d = 70 µm-2 mm, Sc → ∞) durchgeführt. Tracking der einzelnen Partikel erlaubt eine präzise Bestimmung der Oberflächengeschwindigkeit und eine Vermessung des lokalen Impulstransfers. vii Chapter 1 Chapter 2 Theory Investigations of gas transfer at the water surface are under the influence of multifarious processes. The aim of this chapter is to provide an understandable mathematical background for the natural phenomenons and laboratory observations investigated in this thesis. Basic quantities and conceptual models for the description of air-sea gas transfer are introduced. Special emphasis is on the importance of the Schmidt number as well as the relevance and interpretation of chemical reactions at the interface. To conclude, an overview is given on the turbulent flow patterns at the water surface that are crucial for transport mechanisms and are closely investigated within this work.