Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die dreidimensionale Strömungstrennung zu untersuchen, die durch einen Modell-Stimmlippenpolypen induziert wird. Dies wird erreicht, indem eine Prote-Hemisphäre mit einem Seitenverhältnis von zwei zu eins in die Teststrecke eines Windkanals eingebaut wird, um einen an der Wand montierten Vorsprung, wie z. B. einen Polypen oder einen Knoten, zu modellieren. In einem zweiten Schritt werden Techniken zur Visualisierung von Ölströmungen durchgeführt, die die Visualisierung von Reibungslinien und Trenn- und Befestigungspunkten innerhalb der Oberflächenströmung ermöglichen.

Als nächstes werden instationäre Oberflächenpressungsmessungen um die an der Wand montierte Protuberanz erfasst. Um die Wanddruckbelastungen um den Modellpolypen zu quantifizieren, zeigen die Ergebnisse in Kombination mit den Symmetriedaten der Partikelbildvillen das Vorhandensein eines Hufeisenwirbels, der Haarnadelwirbel abwirft, sowie räumliche und zeitliche Druckbelastungen, die den Modell-Stimmlippenpolypen umgeben, von denen erwartet wird, dass sie zu einer unregelmäßigen Stimmlippendynamik beitragen, die bei Patienten mit pathologischen Zuständen wie Polypen oder Knötchen beobachtet wird. Diese Methode kann einen Einblick in die Fluiddynamik krankhafter Stimmlippenerkrankungen geben.

Es kann auch auf andere Systeme wie Blutfluss- und Stenosearterien, das Management von Küstensanddünen, Sekundärströmungen und Wärmetauscher sowie Windenergieanwendungen angewendet werden. Im Allgemeinen können Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, die richtige Mischung auf Ölbasis für ihre spezifischen Testbedingungen zu bestimmen. Um den Modell-Stimmlippenpolypen zu erstellen, beginnen Sie mit der Erstellung eines dreidimensionalen computergestützten Designs oder eines CAD-Modellpolypen.

Fügen Sie als prolate Hemisphäre einen quadratischen Sockel an der Unterseite des Stimmlippenpolypen des Modells hinzu, der zur Verankerung des Modells am Boden des Testabschnitts verwendet wird. Exportieren Sie das 3D-CAD-Modell als Stereolithografie- oder STL-Datei. Wählen Sie eine Auflösung von mindestens 600 Punkten pro Zoll, um eine glatte Oberfläche auf dem Modellpolypen zu gewährleisten.

Laden Sie die STL-Datei in die entsprechende Software hoch und drucken Sie sie mit einem hochauflösenden 3D-Drucker oder Rapid Prototyper aus. Mit einer Aufbauschichtauflösung von mindestens 20 Mikrometern ist der Polyp nun bereit, im Windkanal montiert zu werden. Die Windkanal-Testsektion verfügt über eine abnehmbare Bodenplatte mit einem quadratischen Loch, das sich entlang der Mittellinie der Spannweite und an der gewünschten stromabwärts gelegenen Stelle befindet.

Das Loch wird für die Montage des Modell-Stimmlippenpolypen verwendet. Zur Vorbereitung der Öldurchflusstests die Innenfläche der Windkanal-Teststrecke mit weißem Klebepapier abdecken. Legen Sie das Klebepapier vorsichtig an, um sicherzustellen, dass keine Falten oder Beulen durch Luftblasen entstehen.

Schneiden Sie ein Loch in das Klebepapier über dem quadratischen Loch im Boden der Testsektion. Setzen Sie dann die abnehmbare Bodenplatte in der Testsektion wieder ein. Setzen Sie nun den Modellpolypen in die Ankerposition ein.

Zur Vorbereitung auf die Tests mit einer hochauflösenden Kamera, die über der Teststrecke im Windkanal montiert ist, fokussieren Sie die Kamera so, dass ihr Sichtfeld den Modellpolypen und den umgebenden Bereich der Teststrecke umfasst. Stellen Sie die Kamera so ein, dass sie entweder Bilder oder Videos aufnimmt. Bereiten Sie die Ölmischung zur Strömungsvisualisierung vor, indem Sie Babyöl, Kopiertoner, Pulver und Kerosin in einem Volumenverhältnis von sieben bis eins zu zwei kombinieren.

Mischen Sie das Babyöl und das Tonerpulver zusammen in einem Behälter und rühren Sie einige Sekunden lang, bis sich der Toner vollständig aufgelöst hat. Dann das Kerosin dazugeben und mischen. Übertragen Sie die Mischung gut in eine Sprühflasche, um sie leicht auf die Oberfläche der Testsektion aufzutragen.

Vor dem Auftragen der Ölmischung die Oberfläche der Testsektion mit Wasser reinigen und mit einem Papiertuch abtrocknen. Lassen Sie es dann einige Minuten an der Luft trocknen. Sprühen Sie mit der mit der Ölmischung gefüllten Sprühflasche eine dünne, gleichmäßige Schicht Flüssigkeit über den Bereich um den Stimmlippenpolypen des Modells.

Eine dünne, gleichmäßige Ölmischschicht ist wichtig für die Herstellung von richtigem Öl. Filmvisualisierungsbilder initiieren die Bild- oder Videoaufnahme auf der Kamera. Die Kameraerfassung wird gestartet, bevor der Windkanal eingeschaltet wird.

Um die anfängliche transiente Bewegung des Ölgemischs zu erfassen, schalten Sie den Saugwindkanal mit der gewünschten Geschwindigkeit ein. Das Ölgemisch beginnt entlang der Oberfläche der Prüfstrecke zu fließen. Sobald das Ölgemisch nicht mehr fließt und einen stationären Zustand erreicht hat, wie er durch stationäre Muster angezeigt wird, oder wenn die gewünschte Zeit abgelaufen ist, stoppen Sie die Kameraaufzeichnung und schalten Sie den Windkanal aus, um den statischen Druck zu erhöhen.

Klopft auf die Bodenoberfläche der Prüfstrecke. Beginnen Sie an der Mittellinie der Ankerposition des Modellpolypen und bohren Sie Löcher in die abnehmbare Platte, um ein Gittermuster zu erstellen, das sich über acht Punkte mit einer Breite von 89 Zentimetern und 22 Punkt 86 Zentimeter stromabwärts erstreckt. Montieren Sie dann Edelstahltabellen in der gewünschten Konfiguration in die Löcher, die den Modellpolypen umgeben.

Die Wirrungen haben an einem Ende eine Ausbuchtung zum Befestigen von flexiblen Schläuchen und sind am anderen Ende gerade zum Montieren. Bei richtiger Montage werden die Trübungen bündig mit dem Boden der Prüfstrecke abgeführt. Befestigen Sie anschließend kurze Stücke durchsichtiger, flexibler Polyvinylchlorid-Schläuche, um die montierten Edelstahltabulatoren mit den Messanschlüssen des scannenden Druckmessumformers zu verbinden.

Der scannende Druckmessumformer verfügt über 16 Druckanschlüsse. Beginnen Sie mit der Erfassung von Oberflächendruckmessumformern, indem Sie den Abtastdruckmessumformer an einen Computer anschließen und die Erfassungsparameter mit der Software des Abtastdruckaufnehmers konfigurieren. Stellen Sie die Erfassungssoftware so ein, dass sie für die gewünschte Dauer der Datenerfassung Daten bei 500 Hertz erfasst.

Stellen Sie anschließend den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein. Beginnen Sie nun mit der Erfassung der Druckmessung. Die Druckmessungen können gleichzeitig mit jeder gewünschten Durchflussdiagnosetechnik durchgeführt werden.

Zum Beispiel PIV-Laser, Doppler-Vela-Symmetrie und Hitzdraht-Anemometrie. Der Modellpolyp wurde unter stationären Strömungsbedingungen mit einer Reynoldszahl von 9.000 getestet. Die primäre Trennlinie stromaufwärts wird als dunkle Linie stromaufwärts des Polypen dargestellt.

In der Nähe des Nachlaufs des Polypen befinden sich zwei Vorticity-Konzentrationsknoten, die die Befestigungspunkte für zwei gegenläufige Wirbelröhren sind, die die Beine des stromabwärts gelegenen Haarnadelwirbels bilden. Hier sehen Sie ein Visualisierungsbild der Ölströmung für einen Modellpolypen in Querströmung mit einer Reynolds-Zahl von 9.000. Die dunklen Linien, die sich stromabwärts von den Seiten des Polypen erstrecken und die äußeren Grenzen des Nachlaufs darstellen, konvergieren aufgrund des Rezirkulationswirbels hinter dem Objekt bis zum Ansatzpunkt.

Die Ergebnisse der Visualisierung der Ölströmung für die stationären Strömungsbedingungen bestätigen die Bildung eines Hufeisenwirbelsystems stromaufwärts des Modellpolypen und Haarnadelwirbel stromabwärts des Polypen. Hier sind die vor- und nachgeschalteten Druckmessungen während eines einzigen Oszillationszyklus dargestellt. Die rote Linie an Position Nummer drei zeigt den Ort mit dem geringsten Druck im Rückflussbereich direkt hinter dem Polypen.

Es wurde festgestellt, dass sich die Werte der einzelnen Druckmessumformer während des gesamten Zyklus änderten, und die Druckdifferenz zwischen den Positionen der Aufnehmer variierte in Abhängigkeit von der Zyklusposition und damit der angezeigten mittleren Geschwindigkeit. Hier ist eine verwandte Studie mit angetriebenen Modell-Stimmlippen und einem an der Wand montierten Modell-Stimmlippenpolypen. Die Richtung des Flüssigkeitsstroms liegt außerhalb des Siebs.

Die farbigen Pfeile zeigen die Vektordiagramme der Geschwindigkeitsgröße, wenn sich die Stimmlippen zu öffnen beginnen. Es bildet sich ein konvergenter Kanal und es entsteht ein günstiger Druckgradient. Die Strömung verläuft über den Polypen und wird in Richtung Mittellinie gerichtet.

Wenn die Stimmritze ihre maximale Breite erreicht und eine parallele Konfiguration annimmt, bilden sich zwei gegenläufige strömungsweise Wirbel. Wenn sich die Stimmlippen schließen, wird der Fluss um den Polypen herum und weg von der vorderen hinteren Mittellinie gezwungen. Einmal gemeistert, kann diese Technik in wenigen Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Visualisierungsdaten für Ölströmungen erfassen, die zur Identifizierung von Hautreibungslinien in Bereichen mit hoher und niedriger Geschwindigkeit und zur Erstellung topologischer Karten komplexer dreidimensionaler Strömungen verwendet werden können.