BOS measurements of the temperature field for free convection of air past a heated surface at low Rayleigh numbers

In this study, a measurement technique based on the refractive index variation in a compressible flow field is presented. From now on, this concept will be referred as ‘Background Oriented Schlieren’ (BOS) method. The underlying principle of BOS is briefly described by combining the convective heat transfer and optical equations and an equation of state that provides the relation between temperature and refraction index. In the second part the various optical techniques, which can be compared with BOS, will be discussed. Last chapter is dedicated to the experimental setup and the use of the BOS technique. The focus of the study is to investigate in which way the temperature difference between the air and a protruding plate, which is kept at uniform temperature, affects the average heat transfer coefficient and the local heat transfer coefficient. Furthermore the dimensionless groups related to free convection heat transfer, the average Nusselt and Rayleigh numbers and their correlation are analyzed.

In questo studio si presenta l’applicazione di una tecnica di misura del gradiente di temperatura in un fluido trasparente basata sulla dipendenza dell’indice di rifrazione dalla temperatura. La tecnica è nota in letteratura come Background Oriented Schlieren (BOS) e presenta il vantaggio di consentire misure locali non invasive con un apparato sperimentale concettualmente molto semplice. Infatti, a differenza di altre tecniche analoghe, come la fotografia speckle digitale (Electronic Speckle Photography, ESP) non richiede l’impiego di luce coerente né di apparati interferometrici. Come caso di studio è stato considerato lo strato limite termico che si forma per convezione naturale su una barra di sezione rettangolare riscaldata a temperatura uniforme, sporgente da una base adiabatica. Si tratta di un caso che può avere un interesse applicativo specialmente nel raffreddamento di componenti elettronici. Sono state realizzate sia misure globali del coefficiente di scambio termico convettivo medio, sia misure locali con la tecnica BOS, che hanno permesso di apprezzare in particolare l’effetto degli spigoli e l’influenza delle pareti verticali sullo scambio termico della superficie orizzontale. Inoltre, dai valori medi, in parte misurati, in parte calcolati dai valori locali, è stata determinata una correlazione fra il numero di Nusselt e il numero di Rayleigh.