In this research, a background-oriented schlieren (BOS)-based aero-optical measurement technique was improved and validated, and aero-optical phenomena around a wedge model in a Mach 6 high-speed flow and a static torch-heated window were experimentally studied. Compared to conventional Shack-Hartmann wavefront sensors, the BOS aero-optical measurement is flexible in spatial and temporal resolutions, affordable and easy to set up. The BOS technique’s measurement capacity was improved to include Strehl ratio and point spread function measurements, and the technique was directly compared with a Shack-Hartmann wavefront sensor for the first time to the author's best knowledge. The test case employed a hypersonic Ludwieg tube and a wedge model. BOS results showed agreement with the Shack-Hartmann wavefront sensor in terms of boresight error, optical path difference, Strehl ratio and point spread function. The applicability of BOS aero-optics in the hypersonic regime was demonstrated.
In case of the Mach 6 wedge model, boresight errors were below 20 μrad and rms optical path differences below 0.3 $\lambda$ at charge pressures of 10, 20 and 30 bar. Strehl ratios fluctuated between 1 and 0 due to its sensitive nature with respect to the optical path difference. A trend of intensified aero-optical phenomena with an increasing total pressure was observed. In case of the heated window, 18 different cases were tested based on three parameters of deformation state, attitude angle and heating time. The experimental results were compared with analytical results based on a 1D assumption and surface deformation measurements. The free-fix condition showed good agreement between analytical and experimental results while a notable difference arose in the fix-fix condition due to increased deformation complexity. Window deformation effects were shown to be significant for boresight error.
Moreover, the traditional BOS technique was applied to a Mach 6 hypersonic hemisphere model in a shock tunnel for visualization and density field measurement. The BOS effectively showed the position of a bow shock wave which was in agreement with shadowgraph and Eilmer 3 CFD code.
본 연구는 background-oriented schlieren(BOS)을 기반한 공광학 측정기법을 확장 개발 및 검증하였으며 마하수 6 고속 유동 내의 쐐기 모델과 정적 환경에서의 토치 가열 광학창에 발생하는 공광학 현상을 실험적으로 분석하였다. 전통적인 샥하트만 파면 센서에 비해 BOS 공광학 기법은 시간 및 공간 해상도가 가변적이며, 비용이 적고, 셋업이 간편한 장점을 지닌다. 기존 BOS 공광학 기법 대비 본 기법은 스트렐비와 점상 강도 분포 함수까지 측정 능력이 확장되었으며, 국내외 처음으로 샥하트만 파면 센서와의 직접 비교가 진행되었다. 시험 케이스로 극초음속 루드빅관과 쐐기 모델이 사용되었다. BOS 결과는 조준오차, 광로차 및 스트렐비 등에 있어 샥하트만 파면센서와 동등한 측정 능력을 보이며, 극초음속 환경의 공광학에도 효과적임이 확인되었다.
마하수 6 쐐기 모델의 경우, 충전압 10, 20 그리고 30 bar에 대해 조준오차는 모두 20 μrad 그리고 rms 광경로차는 0.3 $\lambda$ 미만으로 발생하였다. 스트렐비는 광경로차 변화에 민감하므로 0에서 1까지 변동하였다. 전압력 증가에 따라 밀도가 증가하여 전반적인 공광학 현상의 강도가 증가하는 경향성이 확인되었다. 가열 광학창의 경우, 변형 조건, 자세각 그리고 가열 시간의 변수로 총 18가지 경우를 시험하였으며 실험값을 1차원 가정과 변형 측정값을 바탕한 계산값과 비교하였다. 고정-자유 조건은 계산과 실험이 유사하였으며, 고정-고정 조건의 경우 변형 복잡성이 증가하여 차이가 발생하였다. 광학창 변형의 조준오차 영향이 큰 것이 확인되었다.
더욱이 전통적인 BOS 기법을 충격파 터널의 마하수 6 유동 하의 반구 모델에 적용하여 가시화 촬영 및 밀도장 측정을 수행하였다. BOS 결과는 쉐도우그래프 가시화 촬영 이미지와 Eilmer 3 전산해석코드 결과와 비교되었을 때, 궁형 충격파의 위치를 효과적으로 나타냈다.
