Infrared thermography investigation of boundary layer transition on an airfoil model

The objectives of the current thesis are to develop and validate a software that post-processes images acquired during infrared thermography experimental investigations conducted on a wing model, in order to retrieve quantitative data in terms of boundary layer transition position. Following a preliminary literature research, a best practice for the analysis of thermal images is established and implemented in said software. Steady infrared thermography experiments on an externally heated NACA 0018 airfoil are conducted at chord-based Reynolds numbers Re=80000, 120000, 160000 and angles of attack 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°: in these conditions, transition on the model upper surface occurs over a laminar separation bubble. The operations that the software performs are two: maps the images onto a three-dimensional grid that discretizes the viewed model surface (for this purpose Direct Linear Transformation is implemented, which provides a satisfactory level of accuracy); automatically computes separation, transition and reattachment locations (as single points or fronts along the span) from the chordwise surface temperature distributions. The acquired thermal images are analysed following two approaches: Infrared Thermography (IRT) and Differential Infrared Thermography (DIT). The results obtained are compared with available literature data at Re=80000, 120000 and with surface flow visualizations with china clay on the same model at Re=120000, 160000 (which confirm the presence of the laminar separation bubble). The separation and transition positions are correctly identified with both IRT and DIT, while the reattachment location only with IRT (if a proper detection method is chosen). This outcome validates the ability of the software to fully characterize a laminar separation bubble with IRT and correctly compute with both IRT and DIT the boundary layer transition position when a laminar separation bubble is not present (for future experiments).

Gli obiettivi della presente tesi sono lo sviluppo e la validazione di un software che analizzi le immagini acquisite in indagini sperimentali condotte con termografia a infrarosso su un modello di ala, al fine di ottenere dati quantitativi in termini di posizione di transizione dello strato limite. A seguito di uno studio di letteratura preliminare, si stabilisce e implementa nel software una best practice per l'analisi delle immagini termiche. Esperimenti di termografia a infrarosso in condizioni stazionarie sono condotti su un profilo NACA 0018 riscaldato esternamente, a numeri di Reynolds basati sulla corda pari a Re=80000, 120000, 160000 e angoli di attacco 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°: in queste condizioni, la transizione sul dorso del modello avviene in una bolla di separazione laminare. Le operazioni eseguite dal software sono due: mappare le immagini su una griglia tridimensionale che discretizza la superficie inquadrata del modello (a tal fine viene implementata la Direct Linear Transformation, che fornisce un livello di accuratezza soddisfacente); calcolare in modo automatico le posizioni di separazione, transizione e riattacco (come punti singoli o fronti in apertura) a partire dalle distribuzioni lungo la corda della temperatura superficiale. Le immagini termiche acquisite sono analizzate seguendo due approcci: termografia a infrarosso (IRT) e Differential Infrared Thermography (DIT). I risultati ottenuti sono confrontati con dati di letteratura a Re=80000, 120000 e con visualizzazioni di superficie tramite china clay sullo stesso modello a Re=120000, 160000 (che confermano la presenza della bolla di separazione laminare). Le posizioni di separazione e transizione sono correttamente identificate sia da IRT sia da DIT, mentre la posizione di riattacco solo da IRT (con un appropriato metodo di detection). Questo risultato conferma la capacità del software di caratterizzare completamente una bolla di separazione laminare con IRT e calcolare correttamente sia con IRT sia con DIT la posizione di transizione dello strato limite in assenza di una bolla di separazione laminare (per esperimenti futuri).