The effect of turbulence on oxygen uptake of water

Abstract

Påvirkningen av turbulens på oksygenoverføringsraten mellom luft og vann undersøkes eksperimentelt. Dette blir gjort i en stor, resirkulerende vannkanal med et aktivt grid for å kontrollere turbulensen. Fire forskjellige turbulensintensiteter genereres med det aktive griddet, fra 2% til 7% med Taylor Reynolds tall mellom 15 og 335. Frie oksygenmolekyler fjernes fra vannet ved å tilsette natriumsulfitt. Når alt natriumsulfittet har reagert, vil oksygen fra luften bli tatt opp av vannet til det blir mettet. Gassoverføringsraten ble funnet av en oksygenprobe som målte oksygenkonsentrasjonen. Metoden for kvantifiseringen av turbulensforholdene var laser Doppler velocimetry og Particle image velocimetry. Bølger og overflatekonturer ble målt av en bølgemåler og et syntetisk Schlieren-oppsett. Oksygenoverføring i et luft-vann-grensesjikt er viktig på mange områder. Eksempler på dette er i industrielle applikasjoner, innsjøer, vannkvalitet, og overføring av gasser i luft-vann-grensesjikt er en viktig del av det globale karbonkretsløpet. Det er mye kunnskap om egenskapene til luft og vann, men mindre kjent er mekanismene for gassoverføringen mellom dem. Denne studien undersøker hvordan turbulens påvirker gassoverføringsraten ved kun å variere de turbulente forholdene. Analysen av data fra bølgesonden og det syntetiske Schlieren-oppsettet viste at endringene i overflaten var neglisjerbare. Denne studien viser at gassoverføringsraten øker ved høyere turbulensintensiteter. Denne studien indikerer også at de mindre turbulente skalaene ser ut til å påvirke gassoverføringsraten.

The influence of turbulence on the oxygen transfer rate across an air-water interface is investigated experimentally in a large recirculating open water channel with an active grid to control the turbulent conditions in the flow. Four different turbulence intensities are generated with an active grid, ranging from 2% to 7% with Taylor Reynolds numbers between 15 and 335. The water is initially depleted of dissolved oxygen by adding sodium sulphite that binds with the oxygen in the water. After all the sodium sulphite has reacted, oxygen from the air above the water channel will be taken up by the water until it reaches saturation. A fine optical oxygen probe measured the oxygen concentration, from which the gas transfer rate was obtained. The turbulence conditions are quantified using laser Doppler velocimetry and particle image velocimetry. Surface area variations and surface movements were monitored by a wave probe and synthetic Schlieren setup. There is significant knowledge about the properties of air and water, but less is known about the mechanisms of the gaseous transfer between them. This study investigates how turbulence influences the gas transfer rate by only varying the turbulent conditions. The changes in the surface area and surface roughness for the different turbulent conditions were negligible from the analysis of the data obtained with the wave probe and the synthetic Schlieren setup. The present study revealed that the gas transfer rate increases with higher turbulence intensities. This study indicates the smaller scales appear to impact the gas transfer rate for higher Reynolds number.