Boundary layer transition via IR thermography

The understanding of turbulent trasition mechanisms is one of the key aspects in aeronau- tical industry due to its complexity and the heavy influence it has on the aerodynamical forces affecting stream-lined bodies. In the present work, an experimental research on boundary layer transition displacement was performed for a flat plate by means of the infra-red (IR) thermography analytical technique. A preliminary test section flow quality evaluation was presented, for the recently re-built, closed loop "Green Wind Tunnel", in Politecnico di Milano. The test section walls were then re-designed to serve also as flat plate housing, for which both the building and the heating materials were researched. The plate was built with a special focus on the leading edge super-elliptic geometry and its surface quality in order to minimise the probability to have receptivity spots. The plate had also to embed an inner heating system, needed for the hot plate in cold air test cases. The turbulent transition displacement was obtained both by varying the flow velocity and the chordwise pressure gradient, which was imposed through an additive manufacturing-built trailing edge flap. Three different ways to establish the needed tem- perature difference between the plate and the free-stream were studied. A post-processing technique based on the correction of the measurement image through a reference image featuring a temperature dishomogeneity equalisation algorithm was implemented. The plate heating via a resisting metal foil has proven to be both inaccurate and unreliable, hence it was dismissed. The best measurement image quality was provided by the cold plate in hot air, but the most remarkble developments were performed on the electrocon- ductive paint-heated plate in colder flow, which shown an interesting result for the taped nose, favorable pressure gradient (FPG) experimental configuration. A brief experiment on a bluff body was also performed in order to spot the difference between a fully tur- bulent boundary layer and a completely separated flow in thermographical images. A systematic experimental procedure was also suggested to maximise the results repeata- bility for future developments.

La comprensione dei meccanismi di transizione turbolenta sono un aspetto chiave nell’industria aeronautica a causa della complessità e della forte rilevanza che essa ha nella determi- nazione delle forze agenti su corpi aerodinamici. In questo elaborato, una ricerca speri- mentale sullo spostamento dell’intervallo di transizione è stata eseguita per una lamina piana tramite la tecnica analitica della termografia ad infrarosso. Una valutazione pre- liminare della qualità di vena è stata eseguita per la "Galleria Verde" a circuito chiuso del Politecnico di Milano, di recente ricostruzione. Le pareti della camera di prova sono state riprogettate per alloggiare la lamina piana, per cui i materiali di costruzione e riscal- damento sono stati ricercati. La lamina è stata costruita con particolare attenzione alla geometria del bordo di attacco, assieme alla relativa finitura superficiale, al fine di mini- mizzare la probabilita di riscontrare punti di innesco della transizione. La lamina doveva anche includere un sistema di riscaldamento interno, utile per le prove in aria fredda. Lo spostamento della transizione è stato ottenuto tramite la variazione della velocità di vena e del gradiente di pressione lungo la corda, regolato da un flap ottenuto da manifattura additiva. La differenza di temperatura aria-lamina è stata imposta con tre tecniche di- verse. Una tecnica di post-processo basata sulla correzione delle immagini di misura con un’immagine di riferimento è stata implementata, comprendendo anche l’equalizzaione dei picchi di temperatura. La tecnica di riscaldamento basata sull’utilizzo del nastro metallico si è rivelata inaffidabile e poco accurata, venendo quindi dismessa. La qualità d’immagine migliore è ottenuta dalla lamina fredda in aria calda, ma i risultati più in- teressanti sono stati ottenuti dalla lamina riscaldata tramite vernice elettroconduttiva, in particolare nella configurazione a naso nastrato e gradiente di pressione favorevole. Un breve esperimento su un corpo tozzo è stato eseguito per distinguere la distribuzione di temperatura generata dallo strato limite turbolento da quella generata da un flusso com- pletamente separato. Una procedura sistematica volta a minimizzare la variabilità dei risultati è stata infine suggerita per gli sviluppi futuri.