Analysis and validation of quantitative BOS technique

The Background Oriented Schlieren (BOS) is a line of sight optical technique used to visualize and measure density gradients in transparent media. The technique analyses the apparent displacement of a background pattern to measure indirectly the deflection of the light rays caused by the inhomogeneities of the investigated medium. This work was aimed to improve the constructive quality of the BOS setup utilised at the TROVA (Test-Rig for Organic Vapours) wind tunnel of the CREA lab of the Politecnico di Milano and optimize it for the study of compressible flows. The fluid flowing inside the test section is confined by a quartz window and a mirror polished metal surface. Therefore a study of the deflection of the light rays passing through the materials composing the section is provided in order to have a mathematical model to be applied for the elaboration of the data. Furthermore, it will be analysed the dependence of the BOS resolution and sensitivity on the main physical characteristics of the setup such as its main size or the position of the Schlieren object along the optical axis. In particular, an in-depth look will be given to the field of application of the paraxial approximation studying the variation of the deflection angle error with the inclination of the light rays and the camera system field of view. Finally, it has been verified experimentally the effectiveness of the new BOS configuration using a spherical biconvex lens as Schlieren object with the aim to measure its focal length.

La tecnica BOS (Background Oriented Schlieren) è una tecnica ottica utilizzata per visualizzare e misurare i gradienti di densità in mezzi trasparenti. Essa sfrutta lo spostamento apparente di un pattern di sfondo per misurare indirettamente la deflessione dei raggi di luce causata dalle disomogeneità del mezzo di studio. Il lavoro è mirato alla miglioria delle qualità costruttive della configurazione BOS utilizzata nella galleria del vento TROVA (Test-Rig for Organic Vapors) del laboratorio CREA del Politecnico di Milano, ottimizzando il setup per lo studio di correnti comprimibili. La corrente gassosa che scorre all'interno della sezione di prova è confinata sui lati da una finestra di quarzo e da una superficie metallica lucidata a specchio. Viene quindi fornito uno studio sulla deflessione dei raggi luminosi che attraversano i materiali componenti la sezione di prova al fine di avere un modello matematico applicabile per la futura elaborazione dei dati. Inoltre, è stata analizzata la dipendenza della risoluzione e della sensibilità della BOS dalle principali caratteristiche fisiche del setup come l’ingombro totale o la posizione dell'oggetto Schlieren lungo l'asse ottico. In particolare, è stato dato uno sguardo approfondito al campo di applicazione dell'approssimazione parassiale studiando la variazione dell'errore sull'angolo di deflessione con l'inclinazione dei raggi luminosi e il campo visivo del sistema ottico. Infine è stata verificata sperimentalmente l'efficacia della nuova configurazione BOS utilizzando una lente sferica biconvessa come oggetto Schlieren al fine di misurarne la lunghezza focale.