INAUGURAL - DISSERTATION
zur
Erlangung der Doktorwürde
der Naturwissenschaftlich-Mathematischen
Gesamtfakultät
der
Ruprecht - Karls - Universität
Heidelberg

vorgelegt von
Dipl.-Phys. Horst Hau\3ecker
aus Eppingen
Tag der mündl. Prüfung 15.05.1996

Messung und Simulation von kleinskaligen Austauschvorgängen
an der Ozeanoberfläche mittels Thermographie

 
• Inhalt
• Einleitung
• Strahlungstheorie
  • Strahlungsphysikalische Grö\3en: Nomenklatur
  • Strahlung eines schwarzen Körpers
    • Eigenschaften der Planck'schen Strahlungskurve
    • Näherungslösungen der Planckkurve
    • Das Lambertsche Cosinus-Gesetz
    • Zusammenstellung der Planck'schen Strahlungskurven
  • Thermischer Kontrast und thermisches Differential
    • Thermischer Kontrast
    • Thermisches Differential
  • Emissivität
    • Probleme mit der Emissivität
    • Probleme mit der Reflektivität und der Transmissivität
    • Emission teilweise transparenter Körper
  • Energieaustausch durch Strahlung
    • Parallele Oberflächen
    • Parallele Oberflächen teilweise transparenter Medien
  • Optische Eigenschaften der Wasseroberfläche im Infraroten
    • Komplexer Brechungsindex
      • Brechung
      • Absorptionskoeffizient
      • Reflexion
    • Zusammenstellung der optischen Eigenschaften von Wasser
      • Destilliertes Wasser
      • Verfälschung von Temperaturmessungen durch Reflexionen der Himmelsstrahlung
      • Korrekturen für die Salinität von Meerwasser
• Infrarot Radiometrie
  • Einfaches Strahlungsthermometer
  • Entstehung des Kamerabildes
    • Optische Abbildung
      • Scharfe Abbildung
      • Unscharfe Abbildung eines Kalibrierkörpers
    • Die radiometrische Kette
      • Emission der Wasseroberfläche
      • Scannerspiegel
      • Strahlteiler
      • Kameraoptik
      • Bandpa\3-Filter
      • Einflu\3 von zu kleiner Apertur
      • Zusammenfassung
    • Eigenschaften des Detektormaterials
      • Temperaturauflösungsvermögen der Kamera
      • Spektrale Empfindlichkeit der Kamera
    • Die Intensität des Kamerabildes
      • Oberflächen grauer Strahler
      • Wasseroberfläche
  • Temperaturkalibrierung der Kamera
    • Eigenentwicklung einer Kalibriereinrichtung
      • Spezielle Anforderungen an eine Kalibriereinrichtung der CFT
      • Aufbau der Kalibriereinrichtung
      • Genauigkeit der Temperaturmessung
      • Geometrische Anordnung der Kalibrierkörper
      • Berechnung der effektiven Schwarzkörpertemperatur
      • Allgemeine Bemerkungen
      • Technische Spezifikationen der Kalibriereinrichtung
• Transportvorgänge an der Wasseroberfläche
  • Transportgleichung
    • Transportgleichung für Wärme
  • Modellierung des konvektiven Transports
    • Modellierung des laminaren Transportterms
    • Modellierung des turbulenten Transportterms
      • Filmmodell
      • Turbulentes Diffusionsmodell
      • Oberflächenerneuerungsmodell
  • Berechnung der Quellen und Senken
    • Absorption von Laserstrahlung
    • Volumenemission langwelliger Strahlung
    • Oberflächenflüsse
  • Vollständige Differentialgleichung des Wärmetransportes
  • Folgerungen aus der Linearität der Transportgleichung
    • Transfergeschwindigkeit
    • Green'sche Funktion
    • Analyse des Transportvorganges im Fourierraum
      • Reine Diffusion
      • Diffusion mit Oberflächenerneuerung
  • Skalierungsparameter des Gasaustausches
    • Transfergeschwindigkeit und daraus abgeleitete Grö\3en
    • Analogie zwischen Gasaustausch, Impuls- und Wärmetransfer
• Numerische Simulation der Grenzschicht
  • Allgemeine Beschreibung
  • Differentialgleichung der Simulation
    • Randbedingungen und Anfangsverteilung
      • Randbedingungen der Simulation
      • Anfangsverteilung
  • Diskretisierung und Implementierung
    • Diskretisierung des Simulationsvolumens
    • Diskretisierung der Differentialgleichung
      • Diskretisierung der partiellen Ableitungen
      • Diskretisierung des diffusiven Transportterms
      • Diskretisierung des laminaren Konvektionsterms
      • Diskretisierung des turbulenten Konvektionsterms
      • Diskretisierung der Laserabsorption
      • Diskretisierung der Volumenemission
      • Oberflächenflüsse als Randbedingung
      • Realisierung der restlichen Randbedingungen
  • Berechnung des theoretischen Kamerabildes
  • Ergebnisse der Simulation
    • Zeitliche Entwicklung der Wärmeverteilung
    • Abklingkurven
    • Fit der Abklingkurven
• Experimenteller Aufbau
  • Laboraufbau
    • Laser
      • Grö\3e des Laserstrahls
      • Leistung des Lasers
    • Kamera
      • Bildaufbau und Timing
      • Homogenisierung des Kamerabildes (Zwei-Punkt-Kalibrierung)
      • Rauschverteilung
      • Grö\3eneichung
      • Steuerung der Kamerafunktionen
  • Ozeaninstrument
    • Aufbau und Montierung des Instrumentes
    • Laser
    • Kamera
    • x-y Scanner
    • Kalibriereinrichtung
    • Strahlteiler
    • Infrarot Laseroptik
    • Kühlung und Klimatisierung der Maschine
    • Steuerung des Instrumentes
• Zusammenfassende Beschreibung der Messungen
  • Windkanalmessungen
  • Ozeanmessungen
• Auswertung der Messungen
  • Auswertung der Abklingkurven
  • Statistische Auswertung der Temperaturmuster
    • Modellierung der Oberflächenerneuerung
      • Mögliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Lebensdauer
      • Mittlere Temperaturdifferenz
      • Varianz der Temperaturverteilung
      • Abschätzung der Temperaturdifferenz über die Temperaturvarianz
      • Häufigkeitsverteilung der Oberflächentemperaturen
      • Vergleich der statistischen Erneuerungsmodelle
    • Berechnung der Transfergeschwindigkeit
      • Abschätzung der Lebensdauer aus der Temperaturverteilung
      • Abschätzung der Temperaturdifferenz aus der Standardabweichung
      • Vergleich der beiden Methoden
• Zusammenfassung der Ergebnisse
  • Numerische Simulation
  • Laser-Abklingkurven
  • Statistische Analyse der Thermographiebilder
  • Zusammenstellung der Me\3daten
• Resümee und Ausblick
• Farbtafeln
• Literatur
• Tabellarischer Anhang
  • Optische Eigenschaften von reinem Wasser
  • Korrekturen für Meerwasser
  • Driftgeschwindigkeiten
  • Schubspannungsgeschwindigkeiten
  • Transfergeschwindigkeiten
    • Statistische Analyse
    • Laser-Abklingkurven
• Implementierung der Simulation
  • Heurisko Workspace
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