Summary
Vokala vikpolyper kan störa vokal vikningsdynamiken och därmed få förödande konsekvenser för patientens förmåga att kommunicera. Tredimensionell flödesseparation inducerad av en väggmonterad modellpolyp och dess inverkan på väggtrycksbelastningen undersöks med hjälp av partikelbildhastighet, hudfriktionslinjevisualisering och väggtrycksmätningar.
Abstract
Vätskestruktur energiutbytesprocessen för normalt tal har studerats utförligt, men det är inte väl förstått för patologiska förhållanden. Polyper och härdarna, som är geometriska avvikelser som bildas på vokalvikternas mediala yta, kan störa vokal vikningsdynamiken och därmed kan få förödande konsekvenser för patientens förmåga att kommunicera. Vårt laboratorium har rapporterat partikel bild hastighet (PIV) mätningar, inom en undersökning av en modell polyp ligger på den mediala ytan av en in vitro driven vokala vik modell, som visar att en sådan geometrisk onormal avsevärt stör glottal jet beteende. Denna flöde fält justering är en sannolik orsak till den allvarliga nedbrytningen av röstkvaliteten hos patienter med polyper. En mer fullständig förståelse av bildandet och spridningen av vortical strukturer från en geometrisk protuberance, såsom en vokal vikning polyp, och den resulterande påverkan på de aerodynamiska belastningar som driver röstvikt dynamiken, är nödvändigt för att främja behandlingen av detta patologiska tillstånd. Den aktuella undersökningen gäller den tredimensionella flödesseparation som induceras av en väggmonterad prolate halvklotoid med ett 2:1-bildförhållande i korsflöde, dvs en modell vokal vikning polyp, med hjälp av en oljefilm visualisering teknik. Ostadig, tredimensionell flödesseparation och dess inverkan av väggtrycksbelastningen undersöks med hjälp av visualisering av hudfriktionslinjen och väggtrycksmätningar.
Introduction
Vokalvecken är två vävnadsband som sträcker sig över den vokala luftvägarna. Rösttal produceras när ett kritiskt lungtryck uppnås, vilket tvingar luft genom adducted vokala veck. Vokalvecken består av många lager av vävnad och representeras ofta av ett förenklat tvåskikts kroppsskyddssystem1. Den extracellulära matrisen, som utgör majoriteten av täckskiktet, består av kollagen- och elastinfibrer, vilket ger ickelinära stressbelastningsegenskaper, som är viktiga för vokalveckens rätta rörelse1,2. Aerodynamiska krafter ger energi till vävnaden i vokalvecken och exciterar självupplivna svängningar3. När sången viker svänger, bildar öppningen mellan dem, kallad glottis, en tidsmässigt varierande öppning som övergår från en konvergent till en uniform och sedan till en divergerande passage innan den stänger och upprepar cykeln4,6. Vibrationsfrekvenser för normalt tal sträcker sig vanligtvis över 100-220 Hz hos män respektive kvinnor, vilket skapar ett pulsatilt flödesfält som passerar genom glottis7. Vätskestruktur energiutbytesprocessen för normalt tal har studerats utförligt8-12; störningen av denna process för vissa patologier är dock inte väl förstådd. Patologiska förhållanden i vokalvecken kan resultera i dramatiska förändringar i deras dynamik och påverka förmågan att generera rösttal.
Polyper och härdarna är geometriska avvikelser som bildas på vokalveckens mediala yta. Dessa avvikelser kan påverka en patients förmåga att kommunicera13. Ändå har störningarna i flödesfältet nyligen på grund av en geometrisk protuberance som en polyp ansettsvara 14. Den studien visade att den "normala" vätskestruktur energiutbytesprocessen för tal ändrades drastiskt, och att modifieringen av flödesfältet var den mest sannolika orsaken till den allvarliga försämringen av röstkvalitet hos patienter med polyper och härdarna. Ingen omfattande förståelse för de flödesstrukturer som produceras av tredimensionell flödesseparation från en polyp i pulsatilflöde har fastställts. Generering och spridning av vortical strukturer från en polyp, och deras efterföljande inverkan på de aerodynamiska belastningar som driver röst vikning dynamik är en nödvändig kritisk komponent för att främja kirurgiska sanering av polyper hos patienter.
Medan flödesseparation från en väggmonterad halvklotoid i stadigt flöde harundersökts 15-23, förvånansvärt, finns det lite information om ostadig tredimensionell flödesseparation från en halvklotoid på en vägg som är föremål för pulsatila eller ostadiga flödesförhållanden som finns i tal. Acarlars och Smith15s viktiga arbete gav en analys av de tredimensionella sammanhängande strukturerna som genererades av stadigt flöde över en väggmonterad halvklotoid inom ett laminärt gränsskikt. Acarlar och Smith identifierade två typer av olika strukturer. En stående hästskovirvel bildades uppströms den halvklotformade protubern och förlängdes nedströms protubern på vardera sidan. Dessutom fälldes hårnålsvortices periodiskt från väggen monterade halvklotoiden i kölvattnet. Den komplexa rörelsen och progressionen av hårnål vortices undersöktes och beskrivs i detalj.
Flöde över en smidigt konturerad axisymmetrisk kulle har tidigare studerats där både statiska yttrycksmätningar och ytoljevisualisering förvärvades på och nedströms stöten inom ett turbulent saxflöde. Oljefilmstekniker möjliggör visualisering av hudfriktionslinjer, regioner med hög och låg hastighet samt separations- och fästpunkter inom ett ytflöde och är användbara för att undersöka kölvattnet av ett väggmonterat föremål. För denna teknik beläggas intresseytan med en tunn film av en oljebas och fint pulverpigment(dvs. lampblack, grafitpulver eller titandioxid) blandning. Vid önskade flödesförhållanden orsakar friktionskrafter oljan att röra sig längs ytan vilket gör att pigmentpulvret deponeras i streck. Kritiska punkter eller singularitetspunkter, platser där savspänningen är noll eller två eller flera komponenter i medelhastigheten är noll, kan klassificeras från det resulterande hudfriktionslinjemönstret som sadelpunkter eller nodalpunkter24-26.
För kullen geometri hittades ingen singularitet orsakad av separation uppströms; Detta tillskrevs den smidigt stigande konturen av bumpen, som inte genererade den negativa tryckgradienten som uppstår med en halvklotformad protuberance. Följaktligen konstaterades flödet accelerera till toppen av bulan varefter ostadiga sadelfokus separationspunkter utvecklades strax förbi bump centerline, som man kan förvänta sig av bildandet av en hårnålsvirvel27,28. I en studie med liknande experimentella tekniker med en annan väggmonterad geometri visade oljefilmsvisualisering runt en ytmonterad kub i stadigt flöde utfört av Martinuzzi och Tropea29 två tydliga hudfriktionslinjer uppströms objektet. Den första hudfriktionslinjen motsvarade den primära separationslinjen som orsakades av den negativa tryckgradienten och den andra hudfriktionslinjen markerade hästskovirvelns tidsgenomsnitt. Yttrycksmätningar som utfördes uppströms objektet visade ett lokalt minimum längs hästskovirvellinjen och ett lokalt tryck som var maximalt mellan de primära separations- och hästskovirvellinjerna. Liknande uppströms separationslinjer bildas med andra ytmonterade geometrier, inklusive en cirkulär cylinder, pyramid och kon29-31. Ytvisualisering nedströms väggmonterade objekt visar vanligtvis två högborgar orsakade av återcirkulationsregionen bakom objektet30. Två virvlar genereras vid foci-positionerna och motsvarar den "bågtyp" eller hårnålsvirvel som ses i kölvattnet av en väggmonterad halvklotformad32.
Partikelbildhastighet (PIV) har tidigare använts för att studera flödet nedströms syntetiska vokalviktsmodeller33-35. PIV är en icke-invasiv visualiseringsteknik som bilder flöde spårämne partikel rörelse inom ett plan på för att fånga spatio-temporal vätskadynamik 36. Tredimensionella sammanhängande strukturer som bildas nedströms de oscillerande vokala veck har studerats av Neubauer m.fl. 37. virvel generation och konvektion och jet flaxande observerades. Nyligen Krebs m.fl. 38 studerade tredimensionellt av glottal jet med stereoskopisk PIV och resultaten visar glottal jet axeln växling. Erath och Plesniak14 undersökte effekten av en modell vokal vikning polyp på den mediala ytan av en 7,5 gånger skalad dynamiskt driven vokal vikning modell. En recirkulation region bildades nedströms polyp och jet dynamiken påverkades under hela den falska cykeln. De tidigare studierna, med undantag för den drivna vokala vikpolypstudien av Erath och Plesniak14, har inte utforskat den vätskedynamik som induceras av en mediala vokala vikpolyp eller nodule.
Det är viktigt att förstå den flytande dynamiska effekten av modellen polyp inom stadiga och pulsatila flödesfält innan du inkluderar den extra komplexiteten i vokala vik rörliga väggar, inducerade tryckgradienter, begränsad geometrisk volym och andra invecklingar. Det aktuella arbetet fokuserar på signaturen av flödesstrukturerna på nedströmsväggen under både stabila och ostadiga flödesförhållanden. Interaktionerna mellan de vortical strukturer som kastas från en utskjutning och nedströms väggen är av stort intresse för undersökning av vokala vik polyper samt andra biologiska överväganden, eftersom dessa interaktioner framkallar ett biologiskt svar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
I detta arbete placeras en väggmonterad prolate halvklotoid, dvs. en modell vokal vikning polyp, på testsektionsgolvet i en sugtyp vindtunnel med ett 5:1 sammandragningsförhållande. Ostadig, tredimensionell flödesseparation och dess effekt på väggtrycksbelastningen undersöks med hjälp av oljeflödesvisualisering, väggtrycksmätningar och partikelbildhastighet. De ostadiga tryckmätningarna förvärvas med hjälp av en sextonkanalig skanningstryckgivare med piezoresistiva trycksensorer. Trycksensorerna har en frekvensrespons på 670 Hz. Statiska tryckkranar formade av rostfria röruleringar är infällda uppströms och nedströms av modellen vokalviktspolyp för att underlätta yttrycksmätningarna och kortrörda till skanningstryckanordningen. Oljeflödesvisualisering och yttrycksmätningar kan inte förvärvas samtidigt eftersom olja skulle flöda in i tryckkranarna och orsaka påväxt.
Följande avsnitt innehåller protokollet för att ställa in och förvärva oljefilmvisualiserings- och yttrycksmätningar runt en väggmonterad prolate-halvklotoid. Även om fasgenomsnitt och tidsuppgjorda partikelbildhastighetsmätningar förvärvas, ingår inte PIV-förvärvet i detta protokoll. Författarna föreslår referenserna av Raffel et al. 36 och Adrian och Westerweel39 för en djupgående förståelse för PIV experimentell installation, datainsamling och databehandling.
1. Generera protuberance(dvs. Modell Polyp)
- Bygg en tredimensionell datorstödd designmodell (CAD) med önskad geometri. Generera modellen vokal vik polyp som en prolate halvklotoid som mäter 5,08 cm lång, 2,54 cm bred och 1,27 cm lång. Montera en 2,54 cm fyrkantig bas som är 0,64 cm tjock till botten av modellen vokalvikt polyp. Denna bas kommer att användas för att förankra modellen till testsektionsgolvet.
- Exportera 3D CAD-modellen som en STL-fil (stereolithography). STL-filformatet genererar modellytan som en serie trianglar. Välj en tillräcklig upplösning för att säkerställa en jämn yta på modellpolypen. En upplösning på minst 600 punkter/in rekommenderas.
- Ladda upp STL-filen till lämplig programvara och skriv ut STL-filen med en högupplöst tredimensionell skrivare eller snabb prototyper med en byggskiktsupplösning på minst 20 μm.
- Provningssektionen för vindtunneln är cirka 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm med en avtagbar bottenplatta enligt figur 1. Fräs ett 2,54 cm fyrkantigt hål ca 0,85 cm djupt in i vindtunnelns testsektions golv avtagbar platta för att montera modellen vokalvikt polyp för testning. Hålet ska placeras i mitten av provningssektionens bredd och placeras på önskad nedströms plats för testning.
2. Beredning av oljeflödesvisualisering
- För att förbereda provningssektionen, täck provningssektionens yta inuti vindtunneln med vitt självhäftande papper. Placera och släta försiktigt ut det självhäftande papperet för att säkerställa att testsektionens golv inte har några stötar på grund av luftbubblor eller veck i det självhäftande papperet. Skär ett hål i det självhäftande papperet ovanför det fyrkantiga hålet i testsektionsgolvet för modellpolypankaret för att fästa på testsektionsväggen.
- Sätt in protubernansen (modell vokal vikning polyp) i ankarpositionen för att förbereda för testning. Se figur 1.
- Montera en högupplöst kamera ovanför vindtunnelns testsektion. Fokusera kameran för det valda synfältet inklusive modellpolypen och det omgivande testavsnittsområdet. Ställ in parametrarna för kameraförvärv för testning. En videoinställning bör användas för att fånga den övergående delen av oljeflödesvisualiseringen eller om ostadiga eller pulsatila flöden är av intresse.
- Förbered blandningen av flödesvisualiseringsolja genom att kombinera babyolja, kopieringstonerpulver och fotogen i ett 7:1:2-förhållande i volym. Till exempel: kombinera 35 ml babyolja, 5 ml kopieringstonerpulver och 10 ml fotogen. Blanda babyoljan och tonerpulvret i en behållare och rör om tills tonern är helt upplöst. Tillsätt sedan fotogenet och blanda väl.
- Överför blandningen till en sprayflaska för enkel applicering på testsektionens yta.
3. Mätningar av oljeflödesvisualisering
- Rengör och torka testsektionens yta före varje applicering av oljeblandningen.
- Använd sprayflaskan fylld med oljeblandningen för att spruta ett tunt, jämnt lager av vätska över den del av intresset. Ett tunt, jämnt oljeblandningsskikt är viktigt för att producera korrekta bilder av oljefilmvisualisering.
- Initiera bild- eller videoförvärvet på kameran. Påbörja kameraförvärvet innan vindtunneln är påslagen för att fånga den första övergående oljeblandningsrörelsen.
- Ställ in sugvindstunneln på önskad hastighet. Oljeblandningen börjar flöda längs testsektionens yta.
- När oljeblandningen slutar flöda och har nått ett stabilt tillstånd (dvs. mönstren står stilla), eller när önskad tid har gått, stoppa kamerainspelningen och stänga av vindtunneln.
Video 1 visar oljeblandningen som flödar tills ett stabilt tillstånd uppnås och hudens friktionsmönster blir stillastående. I videon rör sig flödet från vänster till höger.
4. Förberedelse av yttrycksmätning
- Förbered provsektionens golvyta (avtagbar platta) genom att borra hål för montering av rostfria rör (0,16 cm ytterdiameter och 2,54 cm lång) i provningssektionens golv för att bygga statiska tryckkranar. Borra hålen på ett galler som sträcker sig över 8,89 cm i den spaniska riktningen och 22,86 cm nedströms med 1,27 cm spanvis galleravstånd och 2,54 cm nedströms galleravstånd (se figur 1). De rostfria rörformarna har en utbuktning i ena änden för att fästa flexibla slangar och är raka i andra änden för montering.
Obs: De statiska tryckkranarna kan placeras med närmare intervall för ett finare rutnät av tryckförvärvsplatser. - Montera tubuleringarna som omger förankringspositionen för den väggmonterade prolate-halvklotoiden(dvs. modell vokalviktspolyp) i önskad konfiguration på testsektionens golv för att förbereda för testning. Tubuleringarna ska monteras i linje med provningsdelsgolvet.
- Fäst bitar av korta flexibla slangar (6,35 cm långa, 0,159 cm innerdiameter, 0,475 cm ytterdiameter klar polyvinylkloridrör) från de monterade rostfria rören till skanningstryckgivarens mätportar. Scanningtrycksgivaren har sexton tryckportar.
5. Förvärv av yttrycksmätning
- Anslut skanningstryckgivaren till en dator och konfigurera förvärvsparametrarna med hjälp av programvaran för skanningstryckgivare. Ställ in förvärvsprogramvaran så att den hämtar data till 500 Hz under önskad varaktighet för datainsamling.
Anm.: Data förvärvades med den maximala samplingshastigheten för skanningstrycksgivaren, 500 Hz, på grund av de små tryckvariationerna vid låga svängningsfrekvenser. - Ställ in sugvindstunneln på önskad hastighet.
- Påbörja förvärvet av tryckmätningen. Tryckmätningarna kan förvärvas samtidigt med önskad flödesdiagnostikteknik(t.ex. PIV, laser Doppler anemometri, hot wire anamometry, etc.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tidigare arbete med en 7,5 gånger uppskalad dynamiskt driven vokalviktsmodell har visat att närvaron av en geometrisk protuberance, modell vokal vikning polyp, stör den normala dynamiken hos glottalstrålen under hela den falska cykeln. Representativa resultat från den tidigare drivna vokalviktsmodellstudien visas i figur 2 och video 2. Videon visar rörelsen hos de drivna vokalvecken när de ändras från en konvergent till en divergerande geometri. Vokalviktsmodellerna kördes dynamiskt på 1,67 Hz med ett Reynolds-nummer på 995 och ett Strouhal-nummer på 1,9 x 10-2. Data förvärvades i traversplanet 7,5 mm nedströms polyp med hjälp av fasgenomsnitt partikelbildhastighet14. När vokalvecken börjar öppnas bildas en konvergent kanal och en gynnsam tryckgradient utvecklas. Flödet börjar rotera runt modellpolypen mot slutet av öppningsfasen, när glottisna är på maximal bredd och vokalvecken är i en parallell konfiguration och in i stängningsfasen. Två räknarroterande virvlar bildas enligt figurerna 2b och 2c. När sången viks nära tvingas flödet runt polypen och bort från den främre bakre mittlinjen. Det pågående arbetet är en undersökning av effekten av en väggmonterad halvklotoid i både stadiga och pulsatila korsflödesförhållanden utan de extra komplexiteterna i de fysiologiska vokalvecken. Preliminära resultat har förvärvats för ett 2:1 bildförhållande prolate halvklotoid; Ett schema över det experimentella testavsnittet visas i figur 1. Modellen polyp testades under stabila flödesförhållanden vid Reynolds nummer från 6 000-9 000; Resultaten av oljeflödets visualisering visas i figurerna 3 och 4. Figur 3 visar en isometrisk vy av modellpolypen under stabila förhållanden där flödet rör sig från vänster till höger. Polypens koncentrerade oljelinje uppströms (till vänster om polypen) och på polypens yta visar separationslinjerna. Den stora koncentrerade oljeregionen strax nedströms (till höger) av polypen presenterar de virvelkoncentrationsnoder som är fästpunkterna för två motroterande virvelrör som bildar benen på den nedströms hårnålsvirveln. Figur 4 visar en övervy av en modellpolyp i korsflöde där flödet rör sig uppifrån och ned med ett Reynolds-tal på 9 000. Fästnoden är synlig nedströms (nedan) modellen vokal vikning polyp. Resultaten av oljeflödesvisualiseringen för de stadiga flödesförhållandena bekräftar bildandet av ett hästskovirvelsystem uppströms modellpolyps- och hårnålsvirver nedströms protubernansen enligt andra väggmonteradeföremål 18,24,29,40.
Ostadiga flödesförhållanden, med Reynolds-talet (baserat på medelhastigheten på 7,01 m/sek) på 6 300 och ett Strouhal-tal på 1,2 x 10-3, resulterar i rumsliga och temporala tryckvariationer. Det ostadiga flödet svänger ± 2,29 m/sek med en frekvens av 0,6 Hz. Figur 5 visar uppströms- och nedströmstrycksmätningarna under en enda svängcykel. Den röda linjen (placerad vid position nummer 3) anger platsen för det lägsta trycket i backflödesregionen direkt nedströms polypen. De individuella tryckomvandrarvärdena konstaterades förändras under hela cykeln och tryckskillnaden mellan givarens platser varierade som en funktion av cykelplatsen och betyder därför hastighet.
Figur 1. Vindtunneltestsektionen schematisk. a.) Full testsektion visas med flödesintaget till vänster och utloppet till höger. b.) Närliggande ritning av den avtagbara testsektionen golvplatta med ett 2:1 bildförhållande väggmonterad prolate halvklotoid. Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 2. Hastighetsfält nedströms en modell vokalvikt polyp monterad på den mediala ytan av en 7,5 gånger uppskalad driven vokalvikningsmodell. a.) Dynamiskt driven vokal vikning modell schematisk visar friström flöde riktning. b.) och c.) Tvärgående hastighetsfält vid två ögonblick under den fonatoriska cykeln i y-z-planet vid x = 7,5 mm nedströms en modellpolyp monterad på den mediala ytan. Hastighetsfälten ritas som vektordiagram med hastighetsstorlek14. Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 3. Isometrisk vy över en väggmonterad prolate halvklotoid(dvs. modell vokal vikning polyp) i korsflöde (Re = 9 000). Den primära uppströms separationslinjen visas som polypens mörka linje uppströms (till vänster). Två vorticity koncentrationsnoder ligger i nära kölvattnet av den väggmonterade prolate halvklotoiden. Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 4. Bild av oljeflödesvisualisering för en prolate halvklotoid i korsflöde (Re=9 000). De mörka linjerna som sträcker sig nedströms från polypens sidor (som representerar väckningens yttre gränser) konvergerar tills fästpunkten, på grund av återcirkulationsvirveln bakom objektet. Platserna för den primära uppströms separationslinjen, halvklotformade separationslinjen, vorticitetskoncentrationsnoderna och den nedströms fastsättningsnoden identifieras. Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 5. Uppströms och nedströms tryckmätningar av en enda cykel av ostadigt flöde vid ett Reynolds-tal baserat på medelhastigheten på 6 300 och ett Strouhal-tal på 1,2 x 10-3 över en väggmonterad prolatehalrosfäroid. Rumsliga och tidsmässiga tryckskillnader observerades bland de uppmätta tryckgivare. Klicka här om du vill visa större bild.
Klicka här för att se Video 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.
Klicka här om du vill visa Video 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Att förstå bildandet och spridningen av vortical strukturer från en geometrisk protuberance och deras efterföljande effekt på de aerodynamiska belastningar som driver röstvikt dynamik, är nödvändigt för att ge insikt och modeller för att främja behandlingen av vokala vikpolyper och härdarna. Variationerna i aerodynamiska belastningar som orsakas av modellpolypen i detta experiment förväntas bidra till oregelbunden vokal vikning dynamik observeras hos patienter med polyper13,41. I det framtida arbetet ingår att undersöka den tredimensionella flödesseparationen i ostadiga flödesförhållanden med hjälp av partikelbildhastighet och korrelera resultaten med ytflödesvisualisering och yttrycksdata.
Oljeflödesvisualisering är en användbar och effektiv teknik för identifiering av yttopologiska egenskaper som hudfriktionslinjer och regioner med hög och låg hastighet. Klassificeringen av separations- eller fästlinjer och noder från ytflödesvisualisering är ett viktigt steg för att konstruera topologiska kartor, ibland kallade virvelskelett, av separations- och fastsättningsregionerna i komplexa tredimensionella flöden baserade på kritiskpunktteori 24,40,42. Eftersom oljeflödesvisualisering främst är en kvalitativ mätning är det viktigt att de kvalitativa resultaten från oljeflödesvisualiseringen paras ihop med de kvantitativa resultaten från yttrycket och PIV-mätningarna. Utvecklingen av en topologisk karta är till hjälp för att förstå och identifiera de tredimensionella flödesstrukturerna och koppla resultaten av oljeflödesvisualisering till PIV-mätresultaten.
Begränsningar av oljeflödesvisualiseringstekniken inkluderar oförmågan att förvärva samtidiga data för oljeflödesvisualisering med yttrycksmätning eller partikelbildhastighetsdata och teknikens begränsade förmåga att spåra ostadighet och rörelse på platsen för kritiska punkter som orsakas av ostadiga flöden. Den optimala blandningen av oljeflödesvisualisering beror på experimentspecifika parametrar för att justera blandningens viskositet och ytspänning baserat på testhastigheten, det problem som ska undersökas och testytans egenskaper. Det är viktigt att oljeblandningen börjar flöda i önskad hastighet och att ytan efter en rimlig tid ska vara relativt torr med det strimmiga ytmönstret kvar. Se Merzkirch26 för en lista över kandidatoljor och pigment att använda för olika förhållanden. En felaktig blandning, baserad på de specifika experimentella parametrarna, kan resultera i antingen för mycket pigment deponerat på ytgolvet, vilket inte resulterar i tydliga streck, eller inte tillräckligt med pigment deponerat vilket inte resulterar i ett streckliknande mönster alls. När blandningen applicerades på testsektionens golv fann författarna det bäst att spruta blandningen istället för att måla blandningen på ytan, en metod som andra utredare har använt. Att måla blandningen på ytan resulterade i ytterligare strimmiga linjer på grund av applikationen.
I detta arbete implementeras ytoljefilmvisualiseringstekniken i stabila flödesförhållanden (Video 1). De stabila flödesprovningsförhållandena resulterar normalt i extremt tydliga bilder på grund av stående strukturer i flödet. Men oljefilmsvisualisering utförs också i ostadiga flödesförhållanden. Författarna undersöker för närvarande om någon ytterligare information kan erhållas från bilder som tagits under ostadiga flödesförhållanden och giltigheten av denna teknik. De ostadiga flödesprovningsförhållandena ger flödesfunktioner som stärker och försvagas under en enda svängningscykel. Av denna anledning förvärvas höghastighetsbilder av den dynamiska oljevisualiseringsregionen när vindtunneln och ostadiga generatorer fungerar.
Att undersöka tredimensionell flödesseparation från en väggmonterad halvklotoid i ostadigt flöde och det resulterande väggtrycket i nära kölvattnet kommer i grunden att förbättra vår förståelse av ostadig tredimensionell flödesseparation. Förutom talapplikationer har denna teknik möjliga tillämpningar i hanteringen av kostnadssanddyner, förbättring av sekundärt flöde i värmeväxlarens design, massöverföring och vindenergi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 och GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rapid Prototyper | Objet | Objet24 | Tray Size (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm Build layer thickness = 28 µm Accuracy = 0.1 mm Build Resolution: X-axis: 600 dpi, Y-axis: 600 dpi, Z-axis: 900 dpi |
| Rapid Prototyper Model Material | Objet | VeroWhite Plus Fullcure 835 | |
| Rapid Prototyper Support Material | Objet | FullCure 705 Support | |
| Copy Toner | Xerox | ||
| Kerosene | Sunnyside | ||
| Baby Oil | Johnson's | ||
| Adhesive Paper | Con-Tact Brand | White adhesive covering | |
| Tygon Tubing | Tygon | PVC Tubing | 1/16 in ID, 3/16 in OD |
| Pressure Scanner (16 channel) | Scanivalve | DSA3217 | Used for gas pressure measurements Pressure range = ±5 in H2O Full scale accuracy = ±0.3% full scale accuracy. Maximum scan rate = 500 Hz/channel |
| Stainless Steel Tubulations | Scanivalve | TUBN-063-1.0 | 0.063 in Diameter and 1 in Length |
References
- Hirano, M., Kakita, Y. Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science--recent advances. , College Hill Press. San Diego, CA. 1-46 (1985).
- Gray, S. D., Titze, I. R., Alipour, F., Hammond, T. H. Biomechanical and histologic observations of vocal fold fibrous proteins. Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 109 (1), 77-85 (2000).
- Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal fold. J. Acoustic. Soc. Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
- Boessenecker, A., Berry, D. A., Lohscheller, J., Eysholdt, U., Döllinger, M. Mucosal wave properties of a human vocal fold. Acta Acustica. 93 (5), 815-823 (2007).
- Shaw, H. S., Deliyski, D. D. Mucosal wave: a normophonic study across visualization techniques. J. Voice. 22 (1), 23-33 (2008).
- Krausert, C. R., Olszewski, A. E., Taylor, L. N., McMurray, J. S., Dailey, S. H., Jiang, J. J. Mucosal wave measurement and visualization techniques. J. Voice. 25 (4), 395-405 (2010).
- Fant, G.
- Wegel, R. L.
- Den Berg, J. V. an, Zantema, J. T., Doornenbal, P. On the air resistance and the Bernoulli effect of the human larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 29 (5), 626-631 (1957).
- Scherer, R. C., Shinwari, D., De Witt, K. J., Zhang, C., Kucinschi, B. R., Afjeh, A. A. Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees. TJ. Acoustic. Soc. Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).
- Thomson, S. L., Mongeau, L., Frankel, S. H. Aerodynamic transfer of energy to the vocal folds. TJ. Acoustic. Soc. Am. 118 (3), 1689-1700 (2005).
- Erath, B. D., Plesniak, M. W. An investigation of asymmetric flow features in a scaled-up driven model of the human vocal folds. Exp. Fluids. 49 (1), 131-146 (2010).
- Petrović-Lazić, M., Kosanović, R. Acoustic analysis findings in patients with vocal fold polyp. Acta Med. Saliniana. 38 (2), 63-66 (2009).
- Erath, B. D., Plesniak, M. W. Three-dimensional laryngeal flow fields induced by a model vocal fold polyp. Int. J. Heat Fluid Flow. 35, 93-101 (2012).
- Acarlar, M. S., Smith, C. R. A study of hairpin vortices in a laminar boundary layer. Part 1. Hairpin vortices generated by a hemisphere protuberance. J. Fluid Mech. 175, 1-41 (1987).
- Kawanisi, K., Maghrebi, M. F., Yokosi, S. An instantaneous 3-D analysis of turbulent flow in the wake of a hemisphere. Boundary-Layer Meteorol. 64, 1-14 (1992).
- Savory, E., Toy, N. Hemisphere and hemisphere-cylinders in turbulent boundary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364 (1986).
- Tamai, N., Asaeda, T., Tanaka, N. Vortex structures around a hemispheric hump. Boundary-Layer Meteorol. 39, 301-314 (1987).
- Savory, E., Toy, N. The separated shear layers associated with hemispherical bodies in turbulent boyndary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 28, 291-300 (1988).
- Ogawa, T., Nakayama, M., Murayama, S., Sasaki, Y. Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 38, 427-438 (1991).
- Manhart, M., Wengle, H. Large-eddy simulation of turbulent bounday layer flow over a hemisphere. Direct and Large-Eddy Simulation I: Selected papers from the First ERCOFTAC Workshop on Direct and Large-Eddy Simulation. , 299-301 (1994).
- Manhart, M. Vortex shedding from a hemisphere in a turbulent boundary layer. Theor. Comp. Fluid Dyn. 12, 1-28 (1998).
- Meroney, R. N., Letchford, C. W., Sarkar, P. P. Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth, rough and dual domes immersed in a boundary layer. Wind Struct. 5 (2-4), 347-358 (2002).
- Hunt, J. C. R., Abell, C. J., Peterka, J. A., Woo, H. Kinematical studies of the flows around free or surface-mounted obstacles; applying topology to flow visualization. J. Fluid Mech. 86 (01), 179 (2006).
- Legendre, R. Lignes de courant d'un ecoulement permanent: decollement et separation. La Recherche Aérospatiale. 6, 327-335 (1977).
- Merzkirch, W.
- Simpson, R. L., Long, C. H. H., Byun, G. Study of vortical separation from an axisymmetric hill. Int. J. Heat Fluid Flow. 23 (5), 582-591 (2002).
- Byun, G., Simpson, R. L. Surface-pressure fluctuations from separated flow over an axisymmetric bump. Am. Inst. Aeronaut. Astronaut. J. 48 (10), 2397-2405 (2010).
- Martinuzzi, R., Tropea, C. The flow around surface-mounted, prismatic obstacles placed in a fully developed channel flow. J. Fluids Eng. 115, 85-92 (1993).
- Rödiger, T., Knauss, H., Gaisbauer, U., Krämer, E. Pressure and heat flux measurements on the surface of a low-aspect-ratio circular cylinder mounted on a ground plate. New Results Num. Exp. Fluid Mech. VI. , 121-128 (2007).
- Martinuzzi, R., AbuOmar, M., Savory, E. Scaling of the wall pressure field around surface-mounted pyramids and other bluff bodies. J. Fluids Eng. 129, 1147-1156 (2007).
- Taniguchi, S., Sakamoto, H., Kiya, M., Arie, M. Time-averaged aerodynamic forces acting on a hemisphere immersed in a turbulent boundary. J. Wind Eng. Indust. Aerodyn. 9, 257-273 (1982).
- Triep, M., Brücker, C.
- Khosla, S., Murugappan, S., Paniello, R., Ying, J., Gutmark, E. Role of vortices in voice production: normal versus asymmetric tension. Laryngoscope. 119 (1), 216-221 (2009).
- Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. The Journal of the Acoustical Society of America. 123 (6), 4434-4445 (2008).
- Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer Verlag. (1998).
- Neubauer, J., Zhang, Z., Miraghaie, R., Berry, D. A. Coherent structures of the near field flow in a self-oscillating physical model of the vocal folds. J. Acoustic. Soc. Am. 121 (2), 1102-1118 (2007).
- Krebs, F., Silva, F., Sciamarella, D., Artana, G. A three-dimensional study of the glottal jet. Exp. Fluids. 52 (5), 1133-1147 (2011).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. 30, Cambridge University Press. (2010).
- Tobak, M., Peake, D. J.
- Zhang, Y., Jiang, J. J. Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx. Chaos. 18, 43102 (2008).
- Délery, J. M., Jean, M. Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation. Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).
