Enhanced BOS optimization and experimentation on an hydrogen flame

The Background Oriented Schlieren (BOS) is an optical technique able to visualize and measure the optical gradients in a transparent media. Its main principle is the same as the more consolidated Schlieren technique: the density gradient variation of a fluid causes a variation in its refractive index, and thus a deflection of the light rays that pass through it. By measuring the deflection of the light rays on a background (usually white particles over a black background) it is possible to measure the density gradient of the fluid. For the BOS, a camera acquires two images of the background, one of which is distorted by the presence of the schlieren object; by comparing these two images it is possible to measure the deflection of the light rays and thus the density gradient of the fluid. The Enhanced BOS (EBOS) uses n backgrounds with slight variations from the original to compare to the single image of the distorted background; the n analyses are then averaged to obtain a more accurate result than the one obtained by the BOS. For this work, a monitor-displayed background is used; this allows to define a tool for the measure of the quality of a BOS and EBOS analysis, based on the creation of synthetic displacement fields. The first part of this work is dedicated to the optimization of some parameters of the background, by exploiting the synthetic displacements: the optimal shape, dimension and density of the background particles are defined. Then, two different software for the image analysis are compared, and the pros and cons of each one are determined, up to the advice of the most suited one for the BOS. Different methods for the definition of the EBOS n backgrounds are proposed, and it is explained which techniques generates the best results. Eventually, BOS and EBOS techniques are applied over an experimental case, represented by and hydrogen flame. It is shown how both BOS and EBOS are accurate techniques for the flame visualization, and how the EBOS, optimized as previously demonstrated, is a more accurate and reliable measure instrument than the BOS.

La Background Oriented Schlieren (BOS) è una tecnica ottica che permette di visualizzare e misurare gradienti di densità in fluidi trasparenti. Il principio su cui si basa è lo stesso della più consolidata tecnica Schlieren: una variazione del gradiente di densità in un fluido comporta una variazione nell'indice di rifrazione, e di conseguenza la deflessione dei raggi luminosi che lo attraversano. Misurando la deflessione dei raggi su di uno sfondo (generalmente composto da puntini bianchi su uno sfondo nero) è possibile risalire al gradiente di densità del fluido. Nella BOS, una fotocamera acquisisce due immagini dello sfondo, una indeformata e una deformata dall'oggetto schlieren, confrontando queste due immagini si può misurare la deflessione dei raggi luminosi e quindi il gradiente di densità. La Enhanced BOS (EBOS) utilizza invece n sfondi leggermente diversi da confrontare con la singola immagine dello sfondo deformato, per poi mediare le analisi ed ottenere un risultato più preciso rispetto alla BOS. In questo lavoro, lo sfondo è visualizzato su un monitor; questo permette la creazione di uno strumento di misura della qualità di una analisi BOS o EBOS che si basa sulla creazione di campi di spostamento sintetici. La prima parte di questo lavoro di tesi si occupa dell'ottimizzazione di alcuni parametri di creazione dello sfondo, sfruttando gli spostamenti sintetici: sono definite la forma, la dimensione e la densità ottimale delle particelle che compongono lo sfondo. Dopodiché si confrontano due diversi programmi di analisi delle immagini, stabilendo i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno e suggerendo il più adatto per le analisi BOS. Si propongono poi diversi metodi per la realizzazione degli n sfondi della EBOS, e si spiega quale tecnica generi i risultati più accurati. Infine, si applicano la BOS e la EBOS ad un caso reale, composto da una fiamma di idrogeno. Si mostra come sia la BOS che la EBOS siano strumenti molto precisi nella rappresentazione della fiamma, e di come la EBOS, ottimizzata come dimostrato prima, rappresenti uno strumento di misura più preciso e affidabile rispetto alla BOS.