Density field maasurements using bos 3D : study od an experimental setup and inverse problem resolution
Mesure d’un champ de masse volumique par Background Oriented Schlieren 3D. Étude d’un dispositif expérimental et des méthodes de traitement pour la résolution du problème inverse
Résumé
This thesis consists in implementing a scientific experimental apparatus BOS3D (Background Oriented Schlieren 3D) at ONERA for the reconstruction of the density field of instantaneous flow and to develop a robust reconstruction algorithm allowing rapid provision of results considering a small number of views . First, we have developed a reconstruction algorithm BOS3D applicable to all experimental configurations . To do so, the direct problem, that is to say, the equation of the light deflection through a medium of inhomogeneous optical index was reformulated in algebraic form. experiment is then defined. This formulation and the equations resulting from optimization methods necessary for the minimization of the criterion have been parallelized to allow implementation on GPU. This algorithm was then tested with reference cases from numerical calculation to check whether the reconstructed field was consistent with the one provided. In this context, we developed a tool for simulating a virtual BOS3D to obtain the deflection fields associated with numerical flows. These deflection fields were then provided as input to the code of reconstruction and allowed us to study the sensitivity of our algorithm to many parameters such as noise on the data, mesh discretization, the type of regularization and positioning of the cameras. In parallel with the study of the reconstruction method by simulation, we have gained experience in the effective implementation of the BOS technique in experimental facilities, participating in several test campaigns . This has enabled us to contribute to the design and implementation of experimental apparatus dedicated to the BOS technique. The main result of this work is the realization of the experimental apparatus BOS3D in DMAE, which is designed to reconstruct instantaneous density fields. These experimental developments ultimately allow us to obtain 3D reconstructions of instantaneous and mean density fields from experimental data. In addition , analysis of the behavior of the BOS3D numerical method is proposed according to the nature of the observed flows and the acquisition configuration
Ces travaux consistent à mettre en place un dispositif expérimental BOS3D permettant la reconstruction du champ de masse volumique instantané d'un écoulement ainsi qu'à développer un algorithme de reconstruction permettant une mise à disposition rapide des résultats ainsi qu'une robustesse liée à un nombre faible de points de vue. La démarche a consisté dans un premier temps à développer un algorithme de reconstruction BOS3D applicable à toutes les configurations expérimentales. Pour cela, le problème direct a été reformulé sous forme algébrique et un critère a été défini. Cette formulation ainsi que les équations issues des méthodes d'optimisation nécessaires à la minimisation du critère ont été parallélisés pour permettre une implémentation sur GPU. Cet algorithme a ensuite été testé sur des cas de références issus de calcul numérique afin de vérifier si le champ reconstruit par l'algorithme était en accord avec celui fourni. Dans ce cadre, nous avons développé un outil permettant de simuler numériquement une BOS3D afin d'obtenir les champs de déviation associées aux écoulements numériques. Ces champs de déviation ont ensuite été fournis comme entrée au code et nous ont permis d'étudier la sensibilité de notre algorithme à de nombreux paramètres tels que le bruit sur les données, les erreurs de calibration, la discrétisation du maillage... Ensuite, afin de tester notre code sur des données réelles nous avons mis en place un banc expérimental BOS3D pour la reconstruction du champ de masse volumique instantané. Cela a nécessité l'étude d'un nouveau moyen de mesure, faisant appel à des techniques de calibrage multi-caméras et de nouvelles stratégies d'illumination su fond. Finalement les données issues de l'expérimentation ont été utilisées comme entrée de notre algorithme afin de valider son comportement sur données réelles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)