Instantaneous density fields reconstruction by 3DBOS, application to complex flows in large wind tunnel
Reconstruction de champs instantanés de masse volumique par BOS 3D. Application à l'étude des écoulements complexes en grande soufflerie
Résumé
This PhD work is part of the development of advanced metrological tools for fluid dynamics, es-
pecially for wind tunnel applications. 3D Background Oriented Schlieren (BOS), which has been de-
veloped at ONERA, is a line-of-sight technique which takes advantage of light rays deviation through
an inhomogenous index media to measure density. It consisted in comparing a reference image of a
textured background with the image of the background with the flow in presence. Image correlation
can then be used to compute light rays deviations. Performing such acquisition from multiple view
143points, allows to reconstruct the corresponding density field, by solving an inverse problem. In order
to pursue the technique development, we first elaborate a systematic processing chain and impro-
ved the robustness of the reconstruction algorithm. After validating our method on synthetic data, we
applied it on a 3DBOS bench equipped with 12 cameras. Thereafter, the technique has been set up
for the first time in a wind tunnel environment, on a subsonic hot jet configuration. During this test
campaign, the technique has been validated via thermocouples measurements. Moreover, 3DBOS and
stereo-PIV coupled acquisitions have been performed. Thereafter, a demonstration in industrial wind
tunnel has been performed in ONERA S1MA facility. Compressible flows issues encountered during
those tests lead us to finer analysis high density gradient flows. A 3DBOS test bench has been built in
laboratory in order to optimize underexpanded jet measurements. On this specific configuration, very
good agreements have bee obtained in comparison with literature and with a DES simulation.
This study has allowed the extension of 3DBOS application domain to compressible flows and
it has demonstrated its use in a wind tunnel environment. The quality of the results highlights the
technique potential for flows physical investigation.
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés
pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlie-
ren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux
par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de
référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corré-
lation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une
acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de
masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement
de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis
amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur
des données de synthèse, nous avons mise en œuvre notre méthode sur un banc d’essais compor-
tant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un
jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures
de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une
démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MA
de l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont
ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients
d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure
d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature
ainsi qu’avec une simulation DES.
A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements
compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le
potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements.