Sviluppo e validazione della tecnica Background Oriented Schlieren attraverso l'applicazione ad un caso di riferimento

This thesis work describe the implementation of a schlieren technique called Background Oriented Schlieren (BOS) that can produce quantitative visualization of refractive index gradient field in an optical trasparent medium. The BOS technique uses only a still digital camera, a structured background pattern and a cross-correlation algorithm for results processing. The principle of operation lies in the numerical comparison between a schlieren-distorted and an undistorted image of the background pattern, chosen as a wavelet-noise function in order to extend flexibility and to reduce sampling effects. For the image processing has been used a FFT crosscorreletion method common in Particle Image Velocimetry (PIV). In this thesis the BOS tecnique has been used for the analisys of the free convection laminar boundary layer on a vertical flat plate with a surface temperature 10-20 K higher than the environment The results in terms of thermal boundary layer profile and local convective heat transfer coefficent in the central part of the plate and for Rayleigh number of about Ra=10E6 are in good agreement with the Ostrach's exact solution.

Questo lavoro di tesi descrive l'implementazione di una tecnica schlieren chiamata Background Oriented Schlieren (BOS) in grado di effettuare visualizzazioni quantitative del campo di indice di rifrazione in un mezzo ottico trasparente. La tecnica BOS fa uso solamente di una telecamera, uno sfondo strutturato e di algoritmi di crosscorrelazione per l'analisi dei risultati. Questa tecnica consente di misurare la variazione di indice di rifrazione attraverso la valutazione della distorsione prodotta, in una immagine di sfondo, dalla presenza di un oggetto schlieren. Lo sfondo utilizzato è stato generato attraverso una funzione rumore Wavelet al fine di aumentare la flessibilità della linea sperimentale. Per l'analisi delle immagini è stato utilizzato un algoritmo di mutua correlazione basato sulla trasformata di Fourier e tipicamente utilizzato nelle analisi di Particle Image Velocimetry (PIV). In questa tesi la tecnica BOS è stata applicata per la ricostruzione dello strato limite termico che si instaura a ridosso di una lamina verticale posta ad una temperatura di 10-20 K superiore a quella ambiente e in condizioni di convezione naturale. I risultati ottenuti attraverso due linee sperimentali differenti e per un numero di Rayleigh di circa Ra=10E6 vengo confrontati con la soluzione analitica del problema, attribuita a Ostrach, dimostrando un'ottimo accordo.