Application of BOS3D to the study of unsteadiness of hot and under-expanded jets

The work carried out during the PhD is part of the development of metrological instruments for fluid mechanics, particularly in the field of flow visualisation.Background Oriented Schlieren (BOS) is a technique that is capable of providing instantaneous 3D fields of density or temperature. This is a technique that has been developed at ONERA during the PhDs of V. Todoroff and F. Nicolas and belongs to measurement techniques based on the deviation of light rays through a non-homogeneous optical index medium.It consists of imaging a textured pattern once without flow and then a second time with the flow between the camera and the background. Variations in the optical index within the flow due to density fluctuations (temperature and/or pressure fluctuations) bend the path of the light rays. An apparent shift in the texture of the background is observed and calculated through digital image correlation techniques such as those commonly used in PIV. By carrying out a simultaneous acquisition from different points of view, it is possible to reconstruct the associated density field by solving a regularised inverse problem.To further develop the technique, we have studied some technical solutions to improve the spatial resolution without degrading the sensitivity of the measurement. Among the solutions studied are retroreflective backgrounds, telecentric objectives and the use of speckle to generate BOS background.A first experimental campaign on an under-expanded supersonic jet allowed us to verify the improvements in terms of spatial resolution and to study the screech, an aeroacoustic phenomenon. Through BOS measurements coupled with acoustic measurements, it was possible to reconstruct two specific screech dynamics.A second campaign was conducted at F2 ONERA wind tunnel on a hot cross-flow jet in cross flow. The problems encountered due to the complex geometry of the jet and the arrangement of the cameras led to synthetic studies to understand which solutions can be used in the future to improve the BOS acquisition.
Les travaux menés durant cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement d'instruments de métrologie pour la mécanique des fluides, notamment dans le domaine de la visualisation des écoulements.La BOS3D (pour Background Oriented Schlieren 3D) est une technique capable de fournir des champs 3D instantanés de densité ou de température. Développée à l'ONERA au cours des thèses de V. Todoroff et F. Nicolas, cette technique se base sur l’exploitation de la déviation des rayons lumineux à travers un milieu d'indice optique non homogène.Elle consiste ainsi comparer l’ image d’un motif texturé placé derrière un écoulement avec l’image de ce même motif en absence d’écoulement. Les variations de l'indice optique au sein de ce dernier dues aux fluctuations de masse volumique (induites par des variations de température et/ou de pression) courbent le trajet des rayons lumineux. Un déplacement apparent de la texture de l'arrière-plan est observé et calculé par des techniques de corrélation d'images numériques telles que celles couramment utilisées en PIV. En faisant une acquisition simultanée suivant différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé en résolvant un problème inverse régularisé.Afin de poursuivre le développement de cette technique, nous avons étudié différentes solutions techniques permettant l’amélioration delà résolution spatiale sans dégrader la sensibilité de la mesure. Parmi les solutions étudiées figurent les fonds rétroréfléchissants, les objectifs télécentriques et l'utilisation du speckle pour la génération des fonds texturés utilisés en BOS.Une première campagne expérimentale sur un jet supersonique sous-étendu a, dans un premier temps, validée les améliorations apportées par les solutions proposées sur la résolution spatiale. D’autre part, l’application de la technique BOS3D sur ce type d’écoulement, nous a permis de détailler une partie de la dynamique du phénomène aéro acoustique de screech qui lui est associé. Ainsi, grâce à des acquisitions BOS3D couplées à des mesures acoustiques, nous avons reconstitués la dynamique de deux modes caractéristiques.Une deuxième campagne effectuée dans la soufflerie F2 de l'ONERA, avait pour objet l’étude d’un jet chaud débouchant dans un écoulement transverse. L’utilisation de la méthode BOS3D dans ce cadre a montré les limites actuelles de la technique pour le traitement d’écoulements complexes en soufflerie, comme par exemple les contraintes imposées sur la disposition des caméras. Néanmoins, à partir de l’étude de la reconstruction tomographique sur une simulation numérique de l’écoulement, nous discutons de différentes voies d’amélioration permettant à l'avenir l’utilisation pratique de la technique BOS3D en soufflerie.