Allgemeine Beschreibung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, aus dem zeitlichen Verhalten einer Temperaturerhöhung innerhalb der thermischen Grenzschicht der Ozeanoberfläche, die Transfergeschwindigkeit für Wärme in Wasser zu berechnen. Die Dicke der thermischen Grenzschicht variiert zwischen 100m und 1mm, in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Die Eindringtiefe der Laserstrahlung beträgt 11.5m und die der Kamera variiert zwischen 1 und 100m für Wellenlängen von 3-5m (Kapitel 2.6.2). Sowohl die Absorption der Laserleistung, als auch die Emission der Wasseroberfläche in dem für die Kamera sichtbaren Wellenlängenbereich, können bei der Untersuchung der Vorgänge innerhalb der Grenzschicht daher nicht als reine Oberflächeneffekte betrachtet werden. Der Laser erhitzt direkt ein Volumen innerhalb des für die Kamera transparenten Bereiches der Wasseroberfläche.

In der Simulation wird ein Wasservolumen der thermischen Grenzschicht betrachtet, in dem sich eine gegebene Temperaturverteilung unter dem Einflu\3 von Diffusion und Konvektion ausbreitet. Der konvektive Anteil des Transports wird für verschiedene Modelle der Grenzschicht modelliert. Das Aufheizen der Grenzschicht durch den CO-Laser stellt einen ortsabhängigen Quellterm der Transportgleichung dar, dessen Verteilung durch die Eindringtiefe des Lasers und dessen Strahlausdehnung gegeben ist. Die Volumenemission langwelliger Strahlung führt zu einer Abkühlung der Grenzschicht und stellt somit eine Wärmesenke dar. Eine weitere Wärmesenke ergibt sich aus den natürlichen Oberflächenflüssen durch Transport von sensibler und latenter Wärme. Sie liefern die Randbedingung an der Oberfläche des Simulationsvolumens.

Ziel der Simulation ist es, für verschiedene Lebensdauern nach dem Surface Renewal Modell, die theoretischen Abklingkurven der Temperaturerhöhung durch den Laser zu berechnen und durch Vergleich mit den gemessenen Kurven, die Lebensdauer und damit die Transfergeschwindigkeit für Wärme in Wasser abzuschätzen. Der Grund für die Verwendung des Surface renewal Modelles wurde bereits in Kapitel 4.2.2 diskutiert. Zum Vergleich der Modelle wurden zusätzlich Simulationen mit dem klassischen Filmmodell durchgeführt.