2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15694Die Studie untersucht die Kondensation von Energie in oberflächenwellengetriebener zweidimensionaler Turbulenz. Dieser physikalische Mechanismus wird im Hinblick auf seinen etwaigen Nutzen für die Energiegewinnung betrachtet. In zweidimensionaler Turbulenz wird die Energie im Mittel von kleinen zu großen Skalen transportiert. Hierbei kann eine sogenannte Energie-Kondensation entstehen, bei der die Energie sich in den größten Skalen sammelt. Durch diesen Prozess entsteht eine großskalige geordnete Strömung aus den unordentlichen, kleinskaligen Bewegungen, die die zweidimensionale Turbulenz antreiben. In Ihrer Doktorarbeit hat die Antragstellerin Dr. von Kameke zum ersten Mal gezeigt, dass zweidimensionale Turbulenz auch durch Oberflächenwellen angetrieben werden kann. Jedoch ist es unklar, ob sich zweidimensionale Turbulenz und Energiekondensation auch durch einen natürlicheren, ungeordneteren Antrieb erzeugen lassen, wie etwa durch Oberflächenwellen im Ozean. Des Weiteren versteht man bisher nicht, wie Oberflächenwellen horizontale Vortizität auslösen und ob sie bestimmte Charakteristika aufweisen müssen. Es ist nicht geklärt welche Randbedingungen für den Prozess der Energiekondensation vorhanden sein müssen. Speziell im Hinblick auf die Energiegewinnung aus den großen Strukturen, die durch die Energiekondensation entstehen muss die Stabilität dieser Strukturen bei Einführung von Reibungsquellen (Turbine o. ä.) untersucht werden.In dieser Studie werden die offenen Fragen mittels eines Faraday-Experimentes untersucht, bei dem die Oberflächenwellen durch vertikale Schwingungen des fluidenthaltenden Behältnisses erzeugt werden. Damit die Energiekondensation im Hinblick auf die Randbedingungen untersucht werden kann soll zum ersten Mal auch das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld im Fluid untersucht werden. Hierbei sollen die neuesten Methoden wie zeitaufgelöstes, tomographisches PIV (particle image velocimetry) zum Einsatz kommen, denn nur das vollständige dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld erlaubt es die Zweidimensionalität und Energiekondensationsstufe der Strömung einwandfrei festzustellen.Die Zweidimensionalität der Strömung wird mit Hilfe der Energie- und Enstrophieflüsse analysiert die mit einer neuartigen Filtermethode ausgerechnet werden. Außerdem sollen existierende dreidimensionale Strömungsstrukturen identifiziert werden und der Einfluss der vertikalen Geschwindigkeit quantifiziert werden. Die Teilchenbewegung und Wellenbewegungen, die zusätzlich aufgenommen werden, sollen korreliert werden um die Kraft, die von den Oberflächenwellen auf das Fluid wirkt zu bestimmen. Das Ziel dieser Studie ist es den Mechanismus der Energiekondensation durch Oberflächenwellen in großem Detail zu durchdringen um herauszufinden, ob dieser sich für die Energiegewinnung eignet. Zusätzlich werden die verschiedenen Teileergebnisse große Fortschritte im Verständnis von Oberflächenwellen getriebener zweidimensionaler Turbulenz erlauben.The proposed study investigates energy condensation in quasi two-dimensional turbulence that is driven by surface waves. This physical mechanism is explored with regard to its potential for energy generation. In two-dimensional turbulence the net energy is transferred from small scales to large scales. Energy condensation develops when large scale friction is low and energy piles up at large scales. In this way, energy condensation produces large ordered flow structures from disordered small scale forcing that drives the two-dimensional turbulence. In her PhD-thesis the applicant Dr. von Kameke showed for the first time that two-dimensional turbulence can also be driven by surface waves. However, it is unclear if two-dimensional turbulence and energy condensation can also be driven by more naturally occurring unordered forcing as for instance provided by oceanic surface waves. It is not yet fully understood how non-breaking surface waves generate horizontal vorticity, and if the waves have to possess certain properties. Additionally, the necessary boundary conditions for energy condensation are vague. Also, it needs to be addresses if the process of energy condensation is stable to the introduction of further sources of drag, i.e., when a turbine is plugged into the fluid flow in order to retrieve energy. Here, these open points are to be investigated using a Faraday experiment where surface waves are caused by the shaking of a container with fluid. The generation of vorticity by the surface waves and the influence of the boundary- and forcing- conditions on energy condensation will be studied as well as the velocity statistics. For this end the full unsteady three-dimensional velocity field at the water surface and below the water surface needs to be recorded which has not been investigated so far. The latest optical methods will be used, such as time-resolved high speed planar particle image velocimetry and time-resolved three-dimensional (tomographic) particle image velocimetry. The complete velocity data set allows to doubtlessly verify, if the flow obtained in each case is two-dimensional and, if energy condensation takes place. Two-dimensionality is analyzed on the basis of energy and enstrophy spectral fluxes, calculated with the aid of a novel filtering method. Moreover, existing three-dimensional flow structures will be identified and characterized. The vertical velocity component will be compared to the horizontal motion. The forcing, exerted by the surface waves on the fluid-particles, and the resulting vorticity generation will be quantified by measuring the fluid surface elevation simultaneously to the PIV measurements and the subsequent usage of Lagrangian techniques that allow to correlate waves and particle movement. The objective of this study is to uncover a new effective mechanism to retrieve renewable energy and will broaden insight into surface wave physics and two-dimensional turbulence.