Analysis of the EBOS technique for application in the TROVA supersonic wind tunnel

The BOS (Background Oriented Schlieren) is a line of sight optical technique for the visualization or either the measure of the density gradients in an optically inhomogeneous medium. This technique exploits the deflection of the light beam caused by the medium (called the schlieren object), which can be quantified comparing the image of a background observed through the schlieren object and the picture of the same background captured at its absence. In respect to other optical techniques, as the more consolidated Schlieren technique, the BOS has some advantages, such as a lower number of components, lower required quality of the optical windows and an easier alignment of the experimental set up. This work is aimed to exploit the advantages of the BOS applying it to the study of compressible fluids at the TROVA wind tunnel of the CREAlab of Politecnico di Milano. In specific, in this work a supersonic flow of nitrogen in a converging diverging nozzle was analyzed. Since it was impossible to use a traditional BOS configuration, an ad hoc set up was developed, using a beam splitter mirror, in order to focus in the same field of view both the test section and the background. In this set up the background is displayed upon an LCD monitor, differently than in a traditional BOS configuration, in which the reference image is printed on a specific support. Before applying the set up to the TROVA, the work was aimed on finding out which were the most suitable characteristics of the configuration for the analyses. For this purpose, the monitor, the background and the whole system (with a preliminary study) were tested. At the TROVA facility, the apparent displacement of the background particles measured through the BOS was compared to the one derived from a CFD simulation and the BOS images were compared to the ones of a Schlieren test, made in the same conditions, which was considered as a benchmark for a fully developed optical technique, as it is normally used in the laboratory. The results show that the trend of the apparent displacement of the background particles in the BOS follows the one derived from the CFD simulation and that the BOS images are qualitatively more detailed in respect to the Schlieren ones, obtained with the configuration usually used in the laboratory. Furthermore a technique derived from the BOS, the EBOS (Enhanced Background Oriented Schlieren) [1], was tested. It is aimed to raise the accuracy of the acquisition of the undisturbed background, capturing it in N different positions, obtained moving the image with some little, rigid and symmetric displacements around its reference position. In a normal EBOS, the displacements are obtained physically moving the background, here, instead, the display is used to impose the rigid movements to the image. In the tests emerged that the highest number of background positions considered didn’t imply the highest level of accuracy in their acquisition, but it is always verified that it is higher when more than one background image is captured. This result is even confirmed by the qualitative comparison between the BOS and the EBOS analyses performed at the TROVA facility, that showed a diminution of the overall noise for the EBOS, without having further improvements when the highest number of background positions was used.

La tecnica BOS (Background Oriented Schlieren) è una tecnica ottica per la visualizzazione e/o la misura dei gradienti di densità in mezzi otticamente non omogenei, che sfrutta la deflessione dei raggi luminosi causata dal mezzo non omogeneo (chiamato oggetto schlieren). La deflessione dei raggi può essere quantificata confrontando l’immagine dello sfondo, osservato attraverso l’oggetto schlieren, e quella ottenuta in assenza di quest’ultimo. Rispetto ad altre tecniche dello stesso tipo, come la più consolidata tecnica Schlieren, la BOS presenta alcuni vantaggi, tra i quali l’utilizzo di un minor numero di componenti, finestre ottiche di minore qualità e una maggiore facilità nel loro allineamento. Questo lavoro si pone l’obiettivo di sfruttare i vantaggi di questa tecnica nello studio di correnti comprimibili presso la galleria del vento TROVA del laboratorio Crea del Politecnico di Milano. Data l’impossibilità di utilizzare uno schema BOS tradizionale, è stata sviluppata una configurazione ad hoc, attraverso l’utilizzo di uno specchio semiriflettente, che permettesse di inquadrare contemporaneamente la sezione di prova e il background. A differenza dello schema BOS tradizionale, in cui il background è stampato su un opportuno supporto, il sistema sviluppato in questo lavoro visualizza lo sfondo su di un monitor LCD. La tesi è volta a capire quali fossero le caratteristiche ottimali del set up sviluppato per poter condurre le prove al TROVA, per questo motivo sono stati testati il monitor, il tipo di background e il funzionamento dell’intero sistema, con una prova preliminare. Nel test nella galleria del vento TROVA, effettuato con un flusso supersonico di azoto all’interno di un ugello convergente-divergente, sono stati usati due riferimenti: la simulazione CFD della prova, per verificare lo spostamento apparente delle particelle del background misurato tramite la BOS, e le immagini scattate con la tecnica Schlieren nelle stesse condizioni, che rappresenta il termine di paragone per una tecnica ottica consolidata. I risultati ottenuti hanno mostrato che, a livello quantitativo, lo spostamento apparente delle particelle del background ottenuto dalla simulazione viene replicato dalla BOS e, a livello qualitativo, le immagini della BOS sono più dettagliate di quelle ottenute con la tecnica Schlieren nella configurazione utilizzata nel laboratorio. Inoltre è stata testata una tecnica derivata dalla BOS, la EBOS (Enhanced Background Oriented Schlieren) [1], che si pone l’obiettivo di migliorare l’accuratezza dell’acquisizione dello sfondo indisturbato, fotografando il background in N posizioni diverse, ottenute imponendo ad esso dei piccoli spostamenti simmetrici attorno alla posizione di riferimento. A differenza di una EBOS tradizionale, in questo lavoro, viene sfruttato il monitor per imporre gli spostamenti rigidi al background, al posto di spostarlo fisicamente. È stato verificato che l’accuratezza dell’acquisizione dei background non aumenta sempre all’aumentare delle posizioni considerate, ma è comunque sempre vero che essa è maggiore se viene acquisito lo sfondo in più di una posizione. Questo risultato è stato confermato anche dal raffronto qualitativo tra la BOS e una EBOS effettuate al TROVA, che hanno mostrato una diminuzione del rumore della prova nel caso della EBOS rispetto alla BOS, senza però filtrare maggiormente le disuniformità della misura aumentando il numero di background acquisiti nella EBOS.