Summary
Vocal fold poliepen kunnen de vocale plooidynamiek verstoren en kunnen dus verwoestende gevolgen hebben voor het vermogen van een patiënt om te communiceren. Driedimensionale stromingsscheiding veroorzaakt door een aan de muur gemonteerde modelpoliep en de impact ervan op de belasting van de wanddruk worden onderzocht met behulp van deeltjesbeeld velocimetry, visualisatie van de huidwrijvingslijn en wanddrukmetingen.
Abstract
Het vloeistofstructuur energie-uitwisselingsproces voor normale spraak is uitgebreid bestudeerd, maar het is niet goed begrepen voor pathologische omstandigheden. Poliepen en knobbeltjes, geometrische afwijkingen die zich vormen op het mediale oppervlak van de stemplooien, kunnen de dynamiek van de vocale plooi verstoren en kunnen dus verwoestende gevolgen hebben voor het vermogen van een patiënt om te communiceren. Ons laboratorium heeft deeltjesbeeld velocimetry (PIV) metingen gerapporteerd, binnen een onderzoek van een modelpoliep op het mediale oppervlak van een in vitro aangedreven vocal fold model, waaruit blijkt dat een dergelijke geometrische afwijking het glottal jet gedrag aanzienlijk verstoort. Deze aanpassing van het stroomveld is een waarschijnlijke reden voor de ernstige afbraak van de vocale kwaliteit bij patiënten met poliepen. Een vollediger begrip van de vorming en voortplanting van vortical structuren van een geometrische uitsteeksel, zoals een vocale vouwpoliep, en de resulterende invloed op de aerodynamische belasting die de vocale vouwdynamiek aandrijft, is noodzakelijk voor het bevorderen van de behandeling van deze pathologische aandoening. Het onderhavige onderzoek heeft betrekking op de driedimensionale stromingsscheiding veroorzaakt door een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde met een beeldverhouding van 2:1 in dwarsstroom, d.w.z. een model vocal fold polyp, met behulp van een oliefilmvisualisatietechniek. Onvaste, driedimensionale stromingsscheiding en de impact ervan op de belasting van de wanddruk worden onderzocht met behulp van visualisatie van de huidwrijvingslijn en wanddrukmetingen.
Introduction
De vocale plooien zijn twee banden weefsel die zich uitstrekken over de vocale luchtweg. Stem spraak wordt geproduceerd wanneer een kritische longdruk wordt bereikt, waardoor lucht door adducted vocal folds wordt gedwongen. De vocale plooien bestaan uit vele lagen weefsel en worden vaak vertegenwoordigd door een vereenvoudigd tweelaags body-cover systeem1. De extracellulaire matrix, die het grootste deel van de dekkingslaag vormt, bestaat uit collageen- en elastinevezels, die niet-lineaire stress-stamkenmerken bieden, die belangrijk zijn voor de juiste beweging van de stemplooien1,2. Aerodynamische krachten geven energie aan het weefsel van de stemplooien en wekken zelfvoorzienende oscillaties op3. Terwijl de vocale plooien oscilleren, vormt de opening ertussen, de glottis genoemd, een tijdelijk variërende opening die overgaat van een convergent naar een uniform en vervolgens naar een divergente passage voordat de cyclus4,6wordt gesloten en herhaald. Trillingsfrequenties voor normale spraak omvatten meestal respectievelijk 100-220 Hz bij mannen en vrouwen, waardoor een pulsatile stromingsveld ontstaat dat door de glottis7gaat. Het vloeistofstructuur energie-uitwisselingsproces voor normale spraak is uitgebreid bestudeerd8-12; de verstoring van dit proces voor sommige pathologieën is echter niet goed begrepen. Pathologische omstandigheden van de stemplooien kunnen leiden tot dramatische veranderingen in hun dynamiek en het vermogen om spraak te genereren beïnvloeden.
Poliepen en knobbeltjes zijn geometrische afwijkingen die zich vormen op het mediale oppervlak van de stemplooien. Deze afwijkingen kunnen van invloed zijn op het vermogen van een patiënt om te communiceren13. Niettemin is pas onlangs de verstoring van het stroomveld als gevolg van een geometrische uitsteeksel zoals een poliep beschouwd als14. Die studie toonde aan dat het "normale" energie-uitwisselingsproces van de vloeistofstructuur van spraak drastisch werd gewijzigd en dat de wijziging van het stroomveld de meest waarschijnlijke reden was voor de ernstige verslechtering van de vocale kwaliteit bij patiënten met poliepen en knobbeltjes. Er is geen volledig begrip van de stromingsstructuren die worden geproduceerd door driedimensionale stroomscheiding van een poliep in pulsatile stroom. Het genereren en vermeerderen van vortical structuren van een poliep, en hun daaropvolgende impact op de aerodynamische belastingen die vocale vouwdynamiek aandrijven, is een noodzakelijk cruciaal onderdeel om chirurgische sanering van poliepen bij patiënten te bevorderen.
Terwijl de stroomscheiding van een aan de muur gemonteerde hemisferoïde in constante stroom is onderzocht15-23, verrassend genoeg is er weinig informatie over onvaste driedimensionale stroomscheiding van een hemisferoïde op een muur die onderhevig is aan pulsatile of onvaste stroomomstandigheden zoals te vinden in spraak. Het baanbrekende werk van Acarlar en Smith15 leverde een analyse op van de driedimensionale coherente structuren die werden gegenereerd door een gestage stroom over een aan de muur gemonteerde hemisferoïde binnen een laminaire grenslaag. Acarlar en Smith identificeerden twee soorten vortical structuren. Een staande hoefijzer vortex werd gevormd stroomopwaarts van de hemisferoïde uitsteeksel en uitgebreid stroomafwaarts van de uitsteeksel aan weerszijden. Bovendien werden haarspeldwervels periodiek van de aan de muur gemonteerde hemisferoïde in het kielzog geworpen. De complexe beweging en progressie van de haarspeldwervels werd onderzocht en in detail beschreven.
Flow over een glad gevormde asymmetrische heuvel is eerder bestudeerd waarbij zowel oppervlaktestatische drukmetingen als oppervlakteolievisualisatie werden verkregen op en stroomafwaarts van de hobbel binnen een turbulente afschuifstroom. Oliefilmtechnieken maken de visualisatie van huidwrijvingslijnen, gebieden met hoge en lage snelheid en scheidings- en bevestigingspunten binnen een oppervlaktestroom mogelijk en zijn nuttig om het kielzog van een aan de muur gemonteerd object te onderzoeken. Voor deze techniek is het oppervlak van belang bedekt met een dunne film van een oliebasis en fijn poederpigment(d.w.z. lampblack, grafietpoeder of titaandioxide) mengsel. Bij de gewenste stromingsomstandigheden zorgen wrijvingskrachten ervoor dat de olie langs het oppervlak beweegt, waardoor het pigmentpoeder in strepen wordt afgezet. Kritische of singulariteitspunten, locaties waar de afschuifspanning nul of twee of meer componenten van de gemiddelde snelheid is, kunnen worden geclassificeerd uit het resulterende huidwrijvingslijnpatroon als zadelpunten of nodale punten24-26.
Voor de heuvelgeometrie werd stroomopwaarts geen singulariteit gevonden die door scheiding werd veroorzaakt; dit werd toegeschreven aan de soepel stijgende contour van de bult, die niet de ongunstige drukgradiënt genereert die optreedt met een hemisferoïde uitsteeksel. Bijgevolg bleek de stroom te versnellen tot het toppunt van de bult waarna, onvaste zadelfocusscheidingspunten zich kort voorbij de middellijn van de bult ontwikkelden, zoals te verwachten was van de vorming van een haarspeldkolkvortex 27,28. In een studie met vergelijkbare experimentele technieken met een andere wandgeometrie toonde oliefilmvisualisatie rond een op het oppervlak gemonteerde kubus in steady flow uitgevoerd door Martinuzzi enTropea 29 twee duidelijke huidwrijvingslijnen stroomopwaarts van het object. De eerste huidwrijvingslijn correspondeerde met de primaire scheidingslijn veroorzaakt door de ongunstige drukgradiënt en de tweede huidwrijvingslijn markeerde de tijdgemiddelde locatie van de hoefijzer vortex. Oppervlaktedrukmetingen die stroomopwaarts van het object werden uitgevoerd, toonden een lokaal minimum langs de hoefijzerkolklijn en een lokaal drukmaximum tussen de primaire scheiding en hoefijzerkolklijnen. Vergelijkbare stroomopwaartse scheidingslijnen worden gevormd met andere opbouwgeometrieën, waaronder een cirkelvormige cilinder, piramide en kegel29-31. Oppervlaktevisualisatie stroomafwaarts van aan de muur gemonteerde objecten geeft meestal twee foci weer die worden veroorzaakt door het recirculatiegebied achter het object30. Twee wervels worden gegenereerd op de foci posities en komen overeen met de "arch-type" of haarspeld vortex gezien in het kielzog van een aan de muur gemonteerde hemisferoïde32.
Deeltjesbeeld velocimetry (PIV) is eerder gebruikt om de stroom stroomafwaarts van synthetische vocal fold modellen33-35te bestuderen. PIV is een niet-invasieve visualisatietechniek waarbij beelden de deeltjesbeweging van tracerdeeltjes in een vlak laten stromen om spatio-temporele vloeistofdynamica vast te leggen36. Driedimensionale coherente structuren die zich stroomafwaarts van de oscillerende stemplooien vormen, zijn bestudeerd door Neubauer et al. 37; vortexgeneratie en convectie en jet flapperen werden waargenomen. Onlangs, Krebs et al. 38 bestudeerde de driedimensionaliteit van de glottale straal met behulp van stereoscopische PIV en de resultaten tonen glottal jet as schakelen aan. Erath en Plesniak14 onderzochten het effect van een model vocal fold polyp op het mediale oppervlak van een 7,5 keer opgeschaald dynamisch aangedreven vocal fold model. Een recirculatiegebied werd gevormd stroomafwaarts van de poliep en de straaldynamiek werd beïnvloed tijdens de fonatory cyclus. De vorige studies, afgezien van de gedreven vocal fold polyp studie door Erath en Plesniak14, hebben de vloeistofdynamiek veroorzaakt door een mediale vocale plooipoliep of knobbel niet onderzocht.
Het is belangrijk om het vloeistofdynamische effect van de modelpoliep binnen stabiele en pulsatile stroomvelden te begrijpen voordat de extra complexiteit van de bewegende wanden van de vocale vouw, geïnduceerde drukgradiënten, beperkt geometrisch volume en andere fijne kneepjes worden opbegrepen. Het huidige werk richt zich op de signatuur van de stromingsstructuren op de stroomafwaartse muur onder zowel stabiele als wankele stromingsomstandigheden. De interacties tussen de vortical structuren die van een uitsteeksel en de stroomafwaartse muur worden afgeworpen, zijn van groot belang voor het onderzoek van vocale plooipoliepen en andere biologische overwegingen, omdat deze interacties een biologische reactie oproepen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
In dit werk wordt een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde, d.w.z. een model vocal fold poliep, geplaatst op de testsectievloer van een windtunnel van het zuigtype met een samentrekkingsverhouding van 5:1. Onvaste, driedimensionale stromingsscheiding en het effect ervan op de belasting van de wanddruk worden onderzocht met behulp van oliestroomvisualisatie, wanddrukmetingen en de velocimetry van deeltjesbeeld. De wankele drukmetingen worden verkregen met behulp van een zestienkanaals scanning drukomvormer met piëzoresistente druksensoren. De druksensoren hebben een frequentierespons van 670 Hz. Statische drukkranen gevormd uit roestvrijstalen buizen worden stroomopwaarts en stroomafwaarts van de model vocal fold poliep gespoeld om de oppervlaktedrukmetingen te vergemakkelijken en kort te worden gezakt naar het scandrukapparaat. Oliestroomvisualisatie en oppervlaktedrukmetingen kunnen niet tegelijkertijd worden verkregen omdat olie in de drukkranen zou stromen die vervuiling veroorzaken.
De volgende sectie bevat het protocol voor het opzetten en verkrijgen van oliefilmvisualisatie- en oppervlaktedrukmetingen rond een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde. Hoewel fasegemiddelde en tijd opgeloste deeltjesbeeld velocimetry metingen worden verkregen, is de PIV-acquisitie niet opgenomen in dit protocol. De auteurs suggereren de referenties van Raffel et al. 36 en Adrian en Westerweel39 voor een diepgaand begrip van PIV experimentele setup, gegevensverwerving en gegevensverwerking.
1. Genereer protuberance(d.w.z. ModelPoliep)
- Bouw een driedimensionaal CAD-model (Computer Aided Design) met de gewenste geometrie. Genereer de model vocal fold poliep als een prolate hemispheroid van 5,08 cm lang, 2,54 cm breed en 1,27 cm hoog. Monteer een vierkante basis van 2,54 cm die 0,64 cm dik is aan de onderkant van de model vocal fold poliep. Deze basis wordt gebruikt om het model te verankeren aan de vloer van het testgedeelte.
- Exporteer het 3D CAD-model als een stereolithografiebestand (STL). De STL-bestandsindeling genereert het modeloppervlak als een reeks driehoeken. Kies een geschikte resolutie om een glad oppervlak op de modelpoliep te garanderen. Een resolutie van ten minste 600 dots/in wordt aanbevolen.
- Upload het STL-bestand naar de juiste software en druk het STL-bestand af met een driedimensionale printer met hoge resolutie of een snelle prototyper met een buildlaagresolutie van ten minste 20 μm.
- Het testgedeelte van de windtunnel is ongeveer 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm met een verwijderbare bodemplaat zoals weergegeven in figuur 1. Freser een vierkant gat van 2,54 cm ongeveer 0,85 cm diep in de verwijderbare plaat van de testsectie van de windtunnel om de model vocal fold poliep te monteren voor testen. Het gat moet zich in het midden van de breedte van de testsectie bevinden en zich op de gewenste downstreamlocatie bevinden om te worden getest.
2. Oliestroomvisualisatievoorbereiding
- Om het testgedeelte voor te bereiden, bedekt u het oppervlak van het testgedeelte in de windtunnel met wit kleefpapier. Plaats en strijk het zelfklevende papier zorgvuldig om ervoor te zorgen dat de vloer van het testgedeelte geen hobbels heeft als gevolg van luchtbellen of plooien in het zelfklevende papier. Snijd een gat in het zelfklevende papier boven het vierkante gat in de vloer van de testsectie voor het modelpoliepanker om aan de wand van het testgedeelte te bevestigen.
- Plaats de uitsteeksel (model vocal fold polyp) in de ankerpositie om u voor te bereiden op het testen. Zie figuur 1.
- Monteer een camera met hoge resolutie boven het testgedeelte van de windtunnel. Stel de camera scherp voor het gekozen gezichtsveld, inclusief de modelpoliep en het omliggende testsectiegebied. Stel de parameters voor camera-acquisitie in om te testen. Een video-instelling moet worden gebruikt om het voorbijgaande deel van de oliestroomvisualisatie vast te leggen of als niet-stabiele of pulsatile stromen van belang zijn.
- Bereid het flowvisualisatie-oliemengsel door babyolie, kopieer tonerpoeder en kerosine te combineren in een volumeverhouding van 7:1:2. Bijvoorbeeld: combineer 35 ml babyolie, 5 ml kopieer tonerpoeder en 10 ml kerosine. Meng de babyolie en tonerpoeder door elkaar in een bakje en roer tot de toner volledig is opgelost. Voeg vervolgens de kerosine toe en meng goed.
- Breng het mengsel over in een spuitfles voor eenvoudige toepassing op het oppervlak van het testgedeelte.
3. Oliestroomvisualisatiemetingen
- Reinig en droog het oppervlak van het testgedeelte vóór elke toepassing van het oliemengsel.
- Gebruik de spuitfles gevuld met het oliemengsel om een dunne, gelijkmatige laag vloeistof over het interessegebied te spuiten. Een dunne, gelijkmatige oliemengsellaag is belangrijk voor het produceren van goede oliefilmvisualisatiebeelden.
- Start de beeld- of video-acquisitie op de camera. Begin met het verkrijgen van de camera voordat de windtunnel wordt ingeschakeld om de eerste transiënte oliemengselbeweging vast te leggen.
- Stel de zuigwindtunnel in op de gewenste snelheid. Het oliemengsel begint langs het oppervlak van het testgedeelte te stromen.
- Zodra het oliemengsel stopt met stromen en een stabiele toestand heeft bereikt(d.w.z. de patronen staan stil), of wanneer de gewenste tijd is verstreken, stopt u de camera-opname en zet u de windtunnel uit.
Opmerking: Video 1 toont het oliemengsel dat stroomt totdat een stabiele toestand is bereikt en het wrijvingspatroon van de huid stil komt te staan. In de video beweegt de stroom van links naar rechts.
4. Voorbereiding oppervlaktedrukmeting
- Bereid het vloeroppervlak van het testgedeelte (verwijderbare plaat) voor door gaten te boren voor het monteren van roestvrijstalen buizen (0,16 cm buitendiameter en 2,54 cm lang) in de vloer van het testgedeelte om statische drukkranen te bouwen. Begin bij de middellijn van de ankerpositie van de prolaathemisferoïde en boor de gaten op een rooster dat 8,89 cm in de spanwijdterichting en 22,86 cm stroomafwaarts overspant met 1,27 cm spanwijdte rasterafstand en 2,54 cm stroomafwaartse rasterafstand (zie figuur 1). De roestvrijstalen buizen hebben een uitstulping aan het ene uiteinde voor het bevestigen van flexibele buizen en zijn recht aan de andere kant voor montage.
Opmerking: De statische drukkranen kunnen met tussenpozen worden geplaatst voor een fijner raster van drukverwervingslocaties. - Monteer de tubulaties rond de ankerpositie van de aan de muur gemonteerde prolaatzoom(d.w.z. model vocal fold polyp) in de gewenste configuratie op de vloer van het testgedeelte om u voor te bereiden op het testen. De tubulaties moeten gelijk met de vloer van het testgedeelte worden gemonteerd.
- Bevestig stukken korte flexibele buizen (6,35 cm lengte, 0,159 cm binnendiameter, 0,475 cm buitendiameter heldere polyvinylchlorideslangen) van de gemonteerde roestvrijstalen buizen aan de meetpoorten van de scandrukomvormer. De scandrukomvormer heeft zestien drukpoorten.
5. Oppervlaktedrukmeting Acquisitie
- Sluit de scandruktransducer aan op een computer en configureer de acquisitieparameters met behulp van de scandruktransducersoftware. Stel de acquisitiesoftware in om gegevens te verkrijgen op 500 Hz voor de gewenste duur van gegevensverwerving.
Opmerking: Gegevens werden verkregen bij de maximale bemonsteringsfrequentie van de scandrukomvormer, 500 Hz, vanwege de kleine drukvariaties bij lage oscillatiefrequenties. - Stel de zuigwindtunnel in op de gewenste snelheid.
- Begin met het verkrijgen van drukmetingen. De drukmetingen kunnen gelijktijdig met elke gewenste debietdiagnosetechniek worden verworven(b.v. PIV, laserDoppler anemometrie, hete draadanometrie, enz.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eerder werk met behulp van een 7,5 keer opgeschaald dynamisch aangedreven vocal fold model heeft aangetoond dat de aanwezigheid van een geometrische uitsteeksel, model vocal fold polyp, de normale dynamiek van de glottal jet gedurende de fonatory cyclus verstoort. Representatieve resultaten van de vorige studie van het vocal fold-model worden weergegeven in figuur 2 en video 2. De video toont de beweging van de aangedreven vocale plooien terwijl ze veranderen van een convergent naar een divergerende geometrie. De vocal fold modellen werden dynamisch aangedreven op 1,67 Hz met een Reynolds nummer van 995 en een Strouhal nummer van 1,9 x 10-2. Gegevens werden verkregen in het traversevlak 7,5 mm stroomafwaarts van de poliep met behulp van fasegemiddelde deeltjesbeeld velocimetry14. Naarmate de vocale plooien beginnen te openen, wordt een convergent kanaal gevormd en wordt een gunstige drukgradiënt ontwikkeld. De stroom begint rond de modelpoliep te draaien tegen het einde van de openingsfase, wanneer de glottis op maximale breedte is en de vocale plooien zich in een parallelle configuratie bevinden, en in de sluitfase. Er worden twee teller roterende wervels gevormd zoals weergegeven in de figuren 2b en 2c. Als de vocale plooien sluiten, wordt de stroom rond de poliep en weg van de voorste-achterste middellijn geforceerd. Het lopende werk is een onderzoek naar het effect van een aan de muur gemonteerde hemisferoïde in zowel stabiele als pulsatile dwarsstroomomstandigheden zonder de extra complexiteit van de fysiologische stemplooien. Voorlopige resultaten zijn verkregen voor een 2:1 beeldverhouding prolaat hemisferoïde; in figuur 1wordt een schema van de experimentele testsectie weergegeven . De modelpoliep werd getest onder constante stroomomstandigheden bij Reynolds-nummers variërend van 6.000-9.000; de resultaten van de oliestroomvisualisatie worden weergegeven in de figuren 3 en 4. Figuur 3 geeft een isometrische weergave van de modelpoliep onder constante omstandigheden waarbij de stroom van links naar rechts beweegt. De geconcentreerde olieleiding stroomopwaarts van de poliep (links van de poliep) en op het oppervlak van de poliep geven de scheidingslijnen weer. Het grote geconcentreerde oliegebied net stroomafwaarts (rechts) van de poliep presenteert de vorticiteitsconcentratieknopen die de bevestigingspunten zijn voor twee tegendraaiende vortexbuizen die de poten van de stroomafwaartse haarspeldkolk vormen. Figuur 4 toont een bovenaanzicht van een modelpoliep in dwarsstroom met de stroom die van boven naar beneden beweegt bij een Reynolds-getal van 9.000. De bevestigingsknoop is zichtbaar stroomafwaarts (onder) de model vocal fold poliep. De resultaten van de oliestroomvisualisatie voor de gestage stroomomstandigheden bevestigen de vorming van een hoefijzer vortexsysteem stroomopwaarts van de modelpoliep- en haarspeldwervels stroomafwaarts van de uitsteeksel, zoals getoond met andere aan de muur gemonteerde objecten18,24,29,40.
Wankele stromingsomstandigheden, met het Reynoldsgetal (gebaseerd op de gemiddelde snelheid van 7,01 m/sec) van 6.300 en een Strouhal-getal van 1,2 x 10-3,resulteren in ruimtelijke en temporele drukvariaties. De wankele stroom oscilleert ± 2,29 m/sec met een frequentie van 0,6 Hz. Figuur 5 geeft de upstream- en downstreamdrukmetingen weer gedurende één enkele oscillatiecyclus. De rode lijn (op positie nummer 3) geeft de plaats aan van de laagste druk in het terugstroomgebied direct stroomafwaarts van de poliep. De individuele druktransducerwaarden bleken gedurende de hele cyclus te veranderen en het drukverschil tussen de transducerlocaties varieerde als functie van de cycluslocatie en dus gemiddelde snelheid.
Figuur 1. Windtunnel test sectie schematisch. a) Volledig testgedeelte met de stroominlaat aan de linkerkant en de uitlaat aan de rechterkant. b)) Close-up schema van de verwijderbare vloerplaat van het testgedeelte met een 2:1 beeldverhouding wand gemonteerde prolaat hemisferoïde. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 2. Snelheidsvelden stroomafwaarts van een model vocal fold poliep gemonteerd op het mediale oppervlak van een 7,5 keer opgeschaald aangedreven vocal fold model. a.) Dynamisch aangedreven vocal fold model schematic weergave van de vrije stroom stroom richting. b)) en c.) Transversale snelheidsvelden op twee ogenblikken tijdens de fonatorische cyclus in het y-z-vlak bij x = 7,5 mm stroomafwaarts van een modelpoliep die op het mediale oppervlak is gemonteerd. De snelheidsvelden worden uitgezet als vectorplots van snelheidsgrootte14. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Isometrische weergave van een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde(d.w.z. model vocal fold polyp) in dwarsstroom (Re = 9.000). De primaire stroomopwaartse scheidingslijn wordt weergegeven als de donkere lijn stroomopwaarts (links) van de poliep. Twee vorticiteitsconcentratieknopen bevinden zich in het nabije kielzog van de aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 4. Oliestroomvisualisatiebeeld voor een prolaathemisferoïde in dwarsstroom (Re=9.000). De donkere lijnen die zich stroomafwaarts van de zijkanten van de poliep uitstrekken (die de buitenste grenzen van het kielzog vertegenwoordigen) convergeren tot het bevestigingspunt, als gevolg van de recirculatie vortex achter het object. De locaties van de primaire upstreamscheidingslijn, hemisferoïdescheidingslijn, vorticiteitsconcentratieknooppunten en de downstream-bijlageknoop worden geïdentificeerd. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 5. Stroomopwaartse en stroomafwaartse drukmetingen van een enkele cyclus van wankele stroom bij een Reynoldsgetal op basis van de gemiddelde snelheid van 6.300 en een Strouhal-getal van 1,2 x10 -3 over een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde. Ruimtelijke en temporele drukverschillen werden waargenomen tussen de gemeten drukomvormers. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
Klik hier om Video 1 te bekijken: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.
Klik hier om Video 2 te bekijken: Stewart_JoVE_Video_2.avi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Inzicht in de vorming en voortplanting van vorticale structuren vanuit een geometrische uitsteeksel en hun daaropvolgende effect op de aerodynamische belasting die de vocale vouwdynamiek aandrijft, is noodzakelijk om inzicht en modellen te bieden om de behandeling van vocale plooipoliepen en knobbeltjes te bevorderen. De variaties in aerodynamische belastingen veroorzaakt door de modelpoliep in dit experiment zullen naar verwachting bijdragen aan onregelmatige vocale plooidynamiek waargenomen bij patiënten met poliepen13,41. Toekomstig werk omvat het onderzoeken van de driedimensionale stromingsscheiding in wankele stroomomstandigheden met behulp van deeltjesbeeld velocimetry en het correleren van de resultaten met oppervlaktestroomvisualisatie en oppervlaktedrukgegevens.
Oliestroomvisualisatie is een nuttige en effectieve techniek voor de identificatie van oppervlaktetopologische kenmerken zoals huidwrijvingslijnen en gebieden met hoge en lage snelheid. De classificatie van scheidings- of gehechtheidslijnen en knooppunten van oppervlaktestroomvisualisatie is een belangrijke stap in het construeren van topologische kaarten, ook wel vortexskeletten genoemd, van de scheidings- en aanhechtingsgebieden van complexe driedimensionale stromen op basis van Critical Point Theory24,40,42. Aangezien oliestroomvisualisatie in de eerste plaats een kwalitatieve meting is, is het essentieel dat de kwalitatieve resultaten van de oliestroomvisualisatie worden gekoppeld aan de kwantitatieve resultaten van de oppervlaktedruk- en PIV-metingen. De ontwikkeling van een topologische kaart is nuttig bij het begrijpen en identificeren van de driedimensionale stroomstructuren en het koppelen van de oliestroomvisualisatieresultaten aan de PIV-meetresultaten.
Beperkingen van de oliestroomvisualisatietechniek zijn onder meer het onvermogen om gelijktijdige oliestroomvisualisatiegegevens te verkrijgen met oppervlaktedrukmeting of deeltjesbeeld velocimetry-gegevens, en het beperkte vermogen van de techniek om onstabiliteit en beweging te volgen op de locatie van kritieke punten veroorzaakt door wankele stromen. Het optimale oliestroomvisualisatiemengsel is afhankelijk van experimentspecifieke parameters om de viscositeit en oppervlaktespanning van het mengsel aan te passen op basis van de testsnelheid, het te onderzoeken probleem en de kenmerken van het testoppervlak. Het is belangrijk dat het oliemengsel met de gewenste snelheid begint te stromen en dat het oppervlak na een redelijke hoeveelheid tijd relatief droog moet zijn met het gestreepte oppervlakpatroon dat overblijft. Raadpleeg Merzkirch26 voor een lijst van kandidaat-oliën en pigmenten om te gebruiken voor verschillende aandoeningen. Een onjuist mengsel, gebaseerd op de specifieke experimentele parameters, kan resulteren in ofwel te veel pigment afgezet op de oppervlaktevloer, wat niet resulteert in duidelijke strepen, of niet genoeg pigment afgezet, wat helemaal niet resulteert in een streepachtig patroon. Bij het aanbrengen van het mengsel op de vloer van de testsectie vonden de auteurs het het beste om het mengsel te spuiten in plaats van het mengsel op het oppervlak te schilderen, een methode die andere onderzoekers hebben gebruikt. Het schilderen van het mengsel op het oppervlak resulteerde in extra streaky lijnen als gevolg van de toepassing.
In dit werk wordt de oppervlakteolie-filmvisualisatietechniek toegepast in steady flow-omstandigheden (Video 1). De steady flow testomstandigheden resulteren normaal gesproken in extreem heldere beelden door staande structuren in de flow. Oliefilmvisualisatie wordt echter ook uitgevoerd in wankele stroomomstandigheden. De auteurs onderzoeken momenteel of aanvullende informatie kan worden verkregen uit afbeeldingen die zijn vastgelegd onder wankele stroomomstandigheden en de geldigheid van deze techniek. De wankele flowtestomstandigheden produceren stroomkenmerken die gedurende één oscillatiecyclus versterken en verzwakken. Om deze reden worden hogesnelheidsbeelden van het dynamische olievisualisatiegebied verkregen naarmate de windtunnel en onvastheidsgeneratoren werken.
Het onderzoeken van driedimensionale stromingsscheiding van een aan de muur gemonteerde hemisferoïde in een onstabiele stroom en de resulterende muurdruk in de nabije wake zal ons begrip van onvaste driedimensionale stroomscheiding fundamenteel verbeteren. Naast spraaktoepassingen heeft deze techniek mogelijke toepassingen in het beheer van costal zandduinen, verbetering van secundaire stroom in warmtewisselaarontwerp, massaoverdracht, en windenergie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
Dit werk wordt ondersteund door de National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 en 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).
