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Bioengineering

Étude de la séparation d’écoulement tridimensionnelle induite par un polype de pli vocal modèle

Published: February 3, 2014 doi: 10.3791/51080
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University, 2Department of Mechanical and Aeronautical Engineering, Clarkson University

Summary

Les polypes vocaux de pli peuvent perturber la dynamique de pli vocal et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur un patient' capacité de s de communiquer. La séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un polype de modèle mural et son impact sur la charge de pression de mur sont examinés utilisant la velocimetry d’image de particule, la visualisation de ligne de friction de peau, et les mesures de pression de mur.

Abstract

Le processus d’échange d’énergie de fluide-structure pour la parole normale a été étudié intensivement, mais il n’est pas bien compris pour des conditions pathologiques. Les polypes et les nodules, qui sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux, peuvent perturber la dynamique des plis vocaux et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur la capacité d’un patient à communiquer. Notre laboratoire a rapporté des mesures de velocimetry d’image de particule (PIV), dans une enquête sur un polype modèle situé sur la surface médiale d’un modèle in vitro conduit de pli vocal, qui montrent qu’une telle anomalie géométrique perturbe considérablement le comportement de jet glottal. Cet ajustement de champ d’écoulement est une raison probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes. Une compréhension plus complète de la formation et de la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique, telle qu’un polype de pli vocal, et de l’influence résultante sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour faire avancer le traitement de cet état pathologique. La présente recherche concerne la séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un hemispheroid prolate mur-monté avec un rapport d’aspect de 2:1 dans l’écoulement croisé, c.-à-d. un polype de pli vocal modèle, utilisant une technique de visualisation d’huile-film. La séparation d’écoulement tridimensionnelle instable et son impact de la charge de pression de la paroi sont examinés à l’aide de la visualisation de la ligne de friction de la peau et des mesures de la pression de la paroi.

Introduction

Les plis vocaux sont deux bandes de tissu qui s’étendent à travers les voies respiratoires vocales. La parole vocale est produite lorsqu’une pression pulmonaire critique est atteinte, forçant l’air à travers des plis vocaux adductés. Les plis vocaux sont composés de nombreuses couches de tissu et sont souvent représentés par un système simplifié de couverture corporelle à deux couches1. La matrice extracellulaire, qui constitue la majorité de la couche de couverture, est composée de fibres de collagène et d’élastine, fournissant des caractéristiques de contrainte-déformation non linéaires, qui sont importantes pour le bon mouvement des plis vocaux1,2. Les forces aérodynamiques transmettent de l’énergie au tissu des plis vocaux et excitent des oscillations auto-entretenues3. Au fur et à mesure que les plis vocaux oscillent, l’ouverture entre eux, appelée glotte, forme un orifice variant temporellement qui passe d’un passage convergent à un uniforme, puis à un passage divergent avant de fermer et de répéter le cycle4,6. Les fréquences de vibration pour la parole normale couvrent généralement 100-220 Hz chez les mâles et les femelles respectivement, créant un champ d’écoulement pulsatile qui passe à travers la glotte7. Le procédé d’échange d’énergie de structure fluide pour la parole normale a été largement étudié8-12; cependant, la perturbation de ce processus pour certaines pathologies n’est pas bien comprise. Les conditions pathologiques des plis vocaux peuvent entraîner des changements spectaculaires dans leur dynamique et affecter la capacité de générer la parole voisée.

Les polypes et les nodules sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux. Ces anomalies peuvent affecter la capacité d’un patient à communiquer13. Néanmoins, ce n’est que récemment que la perturbation du champ d’écoulement due à une protubérance géométrique telle qu’un polype a été considérée comme14. Cette étude a prouvé que le processus « normal » d’énergie-échange de fluide-structure de la parole a été radicalement changé, et que la modification du champ d’écoulement était la raison la plus probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes et des nodules. Aucune compréhension complète des structures d’écoulement produites par la séparation tridimensionnelle d’écoulement d’un polype dans l’écoulement pulsatile n’a été établie. La génération et la propagation des structures vortical d’un polype, et leur impact suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal est un composant critique nécessaire pour faire avancer la correction chirurgicale des polypes dans les patients.

Tandis que la séparation d’écoulement d’un hemispheroid mural dans l’écoulement régulier a été étudiée15-23,étonnamment, il y a peu d’informations concernant la séparation instable d’écoulement tridimensionnel d’un hemispheroid sur un mur soumis aux conditions d’écoulement pulsatile ou instables comme on le trouve dans la parole. Les travaux fondateurs d’Acarlar et Smith15 ont fourni une analyse des structures cohérentes tridimensionnelles générées par un écoulement constant sur un hémisphéroïde mural dans une couche limite laminaire. Acarlar et Smith ont identifié deux types de structures vortical. Un vortex debout en fer à cheval s’est formé en amont de la protubérance hémisphéroïde et s’est prolongé en aval de la protubérance de chaque côté. En outre, des tourbillons en épingle à cheveux ont été jetés périodiquement de l’hémisphéroïde mural dans le sillage. Le mouvement complexe et la progression des tourbillons d’épingle à cheveux ont été étudiés et décrits en détail.

L’écoulement sur une colline axisymétrique à contour lisse a été précédemment étudié dans lequel les mesures de pression statique de surface et la visualisation de l’huile de surface ont été acquises sur et en aval de la bosse dans un flux de cisaillement turbulent. Les techniques de film d’huile permettent la visualisation des lignes de frottement de la peau, des régions à grande et basse vitesse, et des points de séparation et de fixation dans un flux de surface, et sont utiles pour étudier le sillage d’un objet mural. Pour cette technique, la surface d’intérêt est recouverte d’un film mince d’un mélange de pigment à base d’huile et de poudre fine(c’est-à-dire lampblack, poudre de graphite ou dioxyde de titane). Dans les conditions d’écoulement souhaitées, les forces de frottement provoquent le déplacement de l’huile le long de la surface, ce qui provoque le dépôt de la poudre pigmentaire dans les stries. Les points critiques ou de singularité, les endroits où la contrainte de cisaillement est nulle ou deux ou plusieurs composantes de la vitesse moyenne sont nulles, peuvent être classés à partir du motif de ligne de frottement de la peau résultant en tant que points de selle ou points nodaux24-26.

Pour la géométrie de la colline, aucune singularité causée par la séparation n’a été trouvée en amont; ceci a été attribué à la découpe doucement ascendante de la bosse, qui n’a pas généré le gradient de pression défavorable qui se produit avec une protubérance hémisphéroïde. Par conséquent, il a été constaté que l’écoulement s’accélérait jusqu’au sommet de la bosse, après quoi, des points de séparation instables de mise au point de la selle se sont développés peu de temps après l’axe de la bosse, comme on pouvait s’y attendre de la formation d’un vortex en épingle à cheveux27,28. Dans une étude utilisant des techniques expérimentales similaires avec une géométrie murale différente, la visualisation du film d’huile autour d’un cube monté en surface en flux constant effectuée par Martinuzzi et Tropea29 a montré deux lignes de frottement de peau claires en amont de l’objet. La première ligne de frottement de peau correspondait à la ligne de séparation primaire causée par le gradient de pression défavorable et la ligne de frottement de la deuxième peau a marqué l’emplacement moyenné dans le temps du vortex de fer à cheval. Les mesures de pression de surface effectuées en amont de l’objet ont montré un minimum local le long de la ligne de vortex en fer à cheval et une pression maximale locale entre les lignes de séparation primaire et de vortex en fer à cheval. Des lignes de séparation en amont similaires sont formées avec d’autres géométries montées en surface, y compris un cylindre circulaire, une pyramide et un cône29-31. La visualisation de surface en aval d’objets muraux affiche typiquement deux foyers causés par la région de recirculation derrière l’objet30. Deux tourbillons sont générés aux positions des foyers et correspondent au « type arc » ou vortex en épingle à cheveux vu dans le sillage d’un hémisphéroïde mural32.

La vélocimétrie d’image de particules (PIV) a déjà été utilisée pour étudier le flux en aval des modèles de pli vocal synthétique33-35. PIV est une technique de visualisation non invasive qui image le mouvement des particules traceurs de flux dans un plan pour capturer la dynamique des fluides spatio-temporelle36. Les structures cohérentes tridimensionnelles qui forment en aval des plis vocaux oscillants ont été étudiées par Neubauer et al. 37; On a observé la génération et la convection de vortex et le battement de jet. Récemment, Krebs et al. 38 a étudié la tridimensionnalité du jet glottal à l’aide de PIV stéréoscopique et les résultats démontrent la commutation de l’axe du jet glottal. Erath et Plesniak14 ont étudié l’effet d’un polype de pli vocal modèle sur la surface médiale d’un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois. Une région de recirculation a été formée en aval du polype et la dynamique de jet ont été affectées dans tout le cycle phonatoire. Les études précédentes, à l’exception de l’étude de polype de pli vocal conduit par Erath et Plesniak14, n’ont pas exploré la dynamique fluide induite par un polype ou un nodule médial de pli vocal.

Il est important de comprendre l’effet dynamique fluide du polype modèle dans les champs d’écoulement stables et pulsatiles avant d’inclure la complexité supplémentaire des parois mobiles du pli vocal, les gradients de pression induits, le volume géométrique confiné et d’autres subtilités. Les travaux actuels se concentrent sur la signature des structures d’écoulement sur la paroi en aval dans des conditions d’écoulement stables et instables. Les interactions entre les structures vortical qui sont jetées d’une saillie et la paroi en aval est d’un grand intérêt pour l’étude des polypes de pli vocal aussi bien que d’autres considérations biologiques, car ces interactions obtiennent une réponse biologique.

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Protocol

Dans ce travail, un hémisphéroïde prolate mural, c’est-à-dire un polype de pli vocal modèle, est positionné sur le plancher de la section d’essai d’une soufflerie de type aspiration avec un rapport de contraction de 5:1. La séparation instable et tridimensionnelle de l’écoulement et son effet sur la charge de pression de la paroi sont étudiés à l’aide de la visualisation de l’écoulement d’huile, des mesures de la pression de la paroi et de la vélocimétrie d’image de particules. Les mesures de pression instables sont acquises à l’aide d’un transducteur de pression à balayage à seize canaux avec des capteurs de pression piézorésistifs. Les capteurs de pression ont une réponse en fréquence de 670 Hz. Les prises de pression statiques formées à partir de tubulations en acier inoxydable sont montées encastré en amont et en aval du polype de pli vocal modèle pour faciliter les mesures de pression de surface et courtes plombées au dispositif de pression de balayage. La visualisation du débit d’huile et les mesures de pression de surface ne peuvent pas être obtenues simultanément parce que l’huile s’écoulerait dans les prises de pression, ce qui entraînerait un encrassement.

La section suivante fournit le protocole pour la mise en place et l’acquisition de la visualisation du film d’huile et des mesures de pression de surface autour d’un hémisphéroïde prolate mural. Bien que des mesures de vélocimétrie d’image de particules moyennées par phase et résolues dans le temps soient acquises, l’acquisition de PIV n’est pas incluse dans ce protocole. Les auteurs suggèrent les références de Raffel et al. 36 et Adrian et Westerweel39 pour une compréhension approfondie de la configuration expérimentale PIV, de l’acquisition de données et du traitement des données.

1. Générer la protubérance(c’est-à-dire le polype modèle)

  1. Construisez un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) tridimensionnel avec la géométrie souhaitée. Générez le polype de pli vocal modèle comme hémisphéroïde prolate mesurant 5.08 cm de long, 2.54 cm de large, et 1.27 cm de haut. Montez une base carrée de 2,54 cm de 0,64 cm d’épaisseur au bas du polype de pli vocal modèle. Cette base sera utilisée pour ancrer le modèle au plancher de la section d’essai.
  2. Exportez le modèle CAO 3D en tant que fichier de stéréolithographie (STL). Le format de fichier STL génère la surface du modèle sous la forme d’une série de triangles. Choisissez une résolution adéquate pour assurer une surface lisse sur le polype modèle. Une résolution d’au moins 600 points/in est recommandée.
  3. Téléchargez le fichier STL dans le logiciel approprié et imprimez le fichier STL à l’aide d’une imprimante tridimensionnelle haute résolution ou d’un prototypeur rapide avec une résolution de couche de construction d’au moins 20 μm.
  4. La section d’essai en soufflerie mesure environ 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm avec une plaque inférieure amovible comme le montre la figure 1. Fraisez un trou carré de 2,54 cm d’environ 0,85 cm de profondeur dans la plaque amovible du plancher de la section d’essai de soufflerie pour monter le polype de pli vocal modèle pour les essais. Le trou doit être situé au centre de la largeur de la section d’essai et être situé à l’emplacement en aval souhaité pour l’essai.

2. Préparation de la visualisation du flux d’huile

  1. Afin de préparer la section d’essai, couvrir la surface de la section d’essai à l’intérieur de la soufflerie avec du papier adhésif blanc. Placez et lissez soigneusement le papier adhésif pour vous assurer que le plancher de la section d’essai n’a pas de bosses dues à des bulles d’air ou à des plis dans le papier adhésif. Percer un trou dans le papier adhésif au-dessus du trou carré dans le plancher de la section d’essai pour que l’ancrage polype du modèle se fixe à la paroi de la section d’essai.
  2. Insérez la protubérance (polype de pli vocal modèle) dans la position d’ancrage pour préparer l’essai. Voir figure 1.
  3. Montez une caméra haute résolution au-dessus de la section d’essai en soufflerie. Concentrez la caméra sur le champ de vision choisi, y compris le polype du modèle et la zone de section de test environnante. Définissez les paramètres d’acquisition de la caméra pour les tests. Un réglage vidéo doit être utilisé pour capturer la partie transitoire de la visualisation du flux d’huile ou si des écoulements instables ou pulsatiles sont d’intérêt.
  4. Préparez le mélange d’huile de visualisation de flux en combinant de l’huile pour bébé, de la poudre de toner de copie et du kérosène dans un rapport de 7:1:2 en volume. Par exemple: mélanger 35 ml d’huile pour bébé, 5 ml de poudre de copie de toner et 10 ml de kérosène. Mélanger l’huile pour bébé et la poudre de toner ensemble dans un récipient et remuer jusqu’à ce que le toner soit complètement dissous. Ajoutez ensuite le kérosène et mélangez bien.
  5. Transférer le mélange dans un vaporisateur pour une application facile sur la surface de la section d’essai.

3. Mesures de visualisation du débit d’huile

  1. Nettoyer et sécher la surface de la section d’essai avant chaque application du mélange d’huile.
  2. Utilisez le vaporisateur rempli du mélange d’huile pour pulvériser une fine couche uniforme de liquide sur la section d’intérêt. Une couche mince et uniforme de mélange d’huile est importante pour produire des images de visualisation de film d’huile appropriées.
  3. Lancez l’acquisition de l’image ou de la vidéo sur la caméra. Commencez l’acquisition de la caméra avant que la soufflerie ne soit mise sous tension afin de capturer le mouvement de mélange d’huile transitoire initial.
  4. Réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée. Le mélange d’huile commencera à s’écouler le long de la surface de la section d’essai.
  5. Une fois que le mélange d’huile cesse de s’écouler et a atteint un état stable(c’est-à-dire que les motifs sont stationnaires), ou lorsque le temps souhaité s’est écoulé, arrêtez l’enregistrement de la caméra et mettez la soufflerie sous tension.
    Remarque : La vidéo 1 montre le mélange d’huile qui s’écoule jusqu’à ce qu’un état d’équilibre soit atteint et que le motif de frottement de la peau devienne stationnaire. Dans la vidéo, le flux se déplace de gauche à droite.

4. Préparation de la mesure de la pression de surface

  1. Préparer la surface du plancher de la section d’essai (plaque amovible) en perçant des trous pour le montage de tubulations en acier inoxydable (diamètre extérieur de 0,16 cm et 2,54 cm de long) dans le plancher de la section d’essai pour construire des prises de pression statiques. En commençant par la ligne médiane de la position d’ancrage de l’hémisphéroïde prolate, percer les trous sur une grille qui s’étend sur 8,89 cm dans le sens de l’envergure et 22,86 cm en aval avec un espacement de grille de 1,27 cm dans le sens de l’envergure et un espacement de grille de 2,54 cm en aval (voir la figure 1). Les tubulations en acier inoxydable ont un renflement à une extrémité pour fixer des tubes flexibles et sont droites à l’autre extrémité pour le montage.
    Remarque: Les prises de pression statiques peuvent être positionnées à des intervalles plus rapprochés pour une grille plus fine d’emplacements d’acquisition de pression.
  2. Monter les tubulations entourant la position d’ancrage de l’hémisphéroïde prolate mural(c.-à-d. polype de pli vocal modèle) dans la configuration souhaitée sur le plancher de la section d’essai pour se préparer à l’essai. Les tubulations doivent être montées au ras du plancher de la section d’essai.
  3. Fixer des morceaux de tubes flexibles courts (longueur de 6,35 cm, diamètre intérieur de 0,159 cm, diamètre extérieur de 0,475 cm de tube de chlorure de polyvinyle transparent) des tubes montés en acier inoxydable aux orifices de mesure du transducteur de pression de balayage. Le transducteur de pression de balayage dispose de seize orifices de pression.

5. Acquisition de la mesure de la pression de surface

  1. Connectez le transducteur de pression de balayage à un ordinateur et configurez les paramètres d’acquisition à l’aide du logiciel de transducteur de pression de balayage. Définissez le logiciel d’acquisition pour acquérir des données à 500 Hz pendant la durée souhaitée de l’acquisition de données.
    Note : Les données ont été acquises à la fréquence d’échantillonnage maximale du transducteur de pression de balayage, soit 500 Hz, en raison des faibles variations de pression aux basses fréquences d’oscillation.
  2. Réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée.
  3. Commencez l’acquisition de la mesure de la pression. Les mesures de pression peuvent être acquises simultanément avec n’importe quelle technique de diagnostic de débit souhaitée(par exemple PIV, anémométrie Doppler laser, anamométrie à fil chaud, etc.)

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Representative Results

Des travaux antérieurs utilisant un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois ont démontré que la présence d’une protubérance géométrique, le polype de pli vocal modèle, perturbe la dynamique normale du jet glottal tout au long du cycle phonatoire. Les résultats représentatifs de l’étude précédente du modèle de pli vocal sont présentés à la figure 2 et à la vidéo 2. La vidéo montre le mouvement des plis vocaux entraînés alors qu’ils passent d’une géométrie convergente à une géométrie divergente. Les modèles de pli vocal ont été pilotés dynamiquement à 1,67 Hz avec un nombre de Reynolds de 995 et un nombre de Strouhal de 1,9 x 10-2. Des données ont été acquises dans le plan de traversée 7.5 millimètres en aval du polype utilisant la velocimetry phase-moyend d’image de particule14. Lorsque les plis vocaux commencent à s’ouvrir, un canal convergent se forme et un gradient de pression favorable est développé. Le flux commence à tourner autour du polype modèle vers la fin de la phase d’ouverture, lorsque la glotte est à sa largeur maximale et que les plis vocaux sont dans une configuration parallèle, et dans la phase de fermeture. Deux tourbillons en contre-rotation se forment comme le montrent les figures 2b et 2c. Lorsque les plis vocaux se ferment, le flux est forcé autour du polype et loin de la ligne médiane antérieure-postérieure. Les travaux en cours sont une étude de l’effet d’un hémisphéroïde mural dans des conditions d’écoulement croisé stable et pulsatile sans les complexités supplémentaires des plis vocaux physiologiques. Des résultats préliminaires ont été acquis pour un hemispheroid prolate de rapport d’aspect 2:1 ; un schéma de la section d’essai expérimental est illustré à la figure 1. Le polype modèle a été testé dans des conditions d’écoulement stable à des nombres de Reynolds allant de 6 000 à 9 000; les résultats de la visualisation du flux d’huile sont affichés dans les figures 3 et 4. La figure 3 présente une vue isométrique du polype modèle dans des conditions stables, l’écoulement se déplaçant de gauche à droite. La ligne d’huile concentrée en amont du polype (à gauche du polype) et à la surface du polype affiche les lignes de séparation. La grande région d’huile concentrée juste en aval (à droite) du polype présente les nœuds de concentration de tourbillon qui sont les points de fixation de deux tubes de vortex en contre-rotation qui forment les jambes du vortex en épingle à cheveux en aval. La figure 4 montre une vue de dessus d’un polype modèle en flux croisé avec le flux se déplaçant de haut en bas à un nombre de Reynolds de 9 000. Le nœud de fixation est visible en aval (ci-dessous) du polype de pli vocal modèle. Les résultats de visualisation du flux d’huile pour les conditions d’écoulement régulier confirment la formation d’un système de vortex en fer à cheval en amont du polype modèle et des tourbillons en épingle à cheveux en aval de la protubérance comme le montrent d’autres objets muraux18,24,29,40.

Des conditions d’écoulement instables, avec le nombre de Reynolds (basé sur la vitesse moyenne de 7,01 m/s) de 6 300 et un nombre de Strouhal de 1,2 x 10-3,entraînent des variations de pression spatiales et temporelles. L’écoulement instable oscille ± 2,29 m/s à une fréquence de 0,6 Hz. La figure 5 montre les mesures de pression en amont et en aval tout au long d’un seul cycle oscillatoire. La ligne rouge (située à la position numéro 3) indique le site de la pression la plus faible dans la région de refoulement directement en aval du polype. On a constaté que les valeurs individuelles du transducteur de pression changeaient tout au long du cycle et que la différence de pression entre les emplacements du transducteur variait en fonction de l’emplacement du cycle et, par conséquent, de la vitesse moyenne.

Figure 1
Figure 1. Schéma de la section d’essai en soufflerie. a.) Section d’essai complète indiquée avec l’entrée d’écoulement à gauche et la sortie à droite. b.) Gros plan de la plaque de plancher de la section d’essai amovible avec un hémisphéroïde prolate mural au rapport d’aspect 2:1. Cliquez ici pour agrandir l’image.

Figure 2
Figure 2. Champs de vitesse en aval d’un polype de pli vocal modèle monté sur la surface médiale d’un modèle de pli vocal entraîné 7,5 fois mis à l’échelle. a.) Schéma du modèle de pliage vocal piloté dynamiquement affichant la direction de l’écoulement libre. b.) et c.) Champs de vitesse transversale à deux instants au cours du cycle phonatoire dans le plan y-z à x = 7,5 mm en aval d’un polype modèle monté sur la surface médiale. Les champs de vitesse sont tracés sous forme de diagrammes vectoriels de magnitude de vitesse14. Cliquez ici pour agrandir l’image.

Figure 3
Figure 3. Vue isométrique d’un hémisphéroïde prolate mural(c.-à-d. polype de pli vocal modèle) en écoulement croisé (Re = 9 000). La ligne de séparation en amont primaire est affichée comme ligne sombre en amont (à gauche) du polype. Deux nœuds de concentration de tourbillon sont situés dans le sillage proche de l’hémisphéroïde prolate mural. Cliquez ici pour agrandir l’image.

Figure 4
Figure 4. Image de visualisation du flux d’huile pour un hémisphéroïde prolate en écoulement croisé (Re = 9 000). Les lignes sombres s’étendant en aval des côtés du polype (représentant les limites extérieures du sillage) convergent jusqu’au point d’attache, en raison du vortex de recirculation derrière l’objet. Les emplacements de la ligne de séparation en amont primaire, de la ligne de séparation hémisphéroïde, des nœuds de concentration de tourbillon et du nœud de fixation en aval sont identifiés. Cliquez ici pour agrandir l’image.

Figure 5
Figure 5. Mesures de pression en amont et en aval d’un seul cycle d’écoulement instable à un nombre de Reynolds basé sur la vitesse moyenne de 6 300 et un nombre de Strouhal de 1,2 x 10-3 sur un hémisphéroïde prolate mural. Des différences de pression spatiales et temporelles ont été observées parmi les transducteurs de pression mesurés. Cliquez ici pour agrandir l’image.

Cliquez ici pour voir la vidéo 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.

Cliquez ici pour voir la vidéo 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.

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Discussion

Comprendre la formation et la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique et leur effet suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour fournir la perspicacité et les modèles afin d’avancer le traitement des polypes et des nodules vocaux de pli. Les variations des charges aérodynamiques causées par le polype modèle dans cette expérience devraient contribuer à la dynamique irrégulière des plis vocaux observée chez les patients atteints de polypes13,41. Les travaux futurs comprennent l’étude de la séparation tridimensionnelle de l’écoulement dans des conditions d’écoulement instables à l’aide de la vélocimétrie d’image de particules et la corrélation des résultats avec la visualisation du flux de surface et les données de pression de surface.

La visualisation du flux d’huile est une technique utile et efficace pour l’identification des caractéristiques topologiques de surface telles que les lignes de frottement de la peau et les régions à grande et à basse vitesse. La classification des lignes de séparation ou d’attachement et des nœuds à partir de la visualisation des flux de surface est une étape importante dans la construction de cartes topologiques, parfois appelées squelettes de vortex, des régions de séparation et d’attachement des écoulements tridimensionnels complexes basés sur la théorie des points critiques24,40,42. Comme la visualisation du flux d’huile est principalement une mesure qualitative, il est essentiel que les résultats qualitatifs de la visualisation du flux d’huile soient associés aux résultats quantitatifs des mesures de pression de surface et de PIV. Le développement d’une carte topologique est utile pour comprendre et identifier les structures d’écoulement tridimensionnelles et relier les résultats de visualisation du flux d’huile aux résultats de mesure PIV.

Les limites de la technique de visualisation du flux d’huile comprennent l’incapacité d’acquérir des données de visualisation simultanées du flux d’huile avec des données de mesure de la pression de surface ou de vélocimétrie d’image de particules, et la capacité limitée de la technique à suivre l’instabilité et le mouvement à l’emplacement des points critiques causés par des écoulements instables. Le mélange optimal de visualisation du flux d’huile dépend de paramètres spécifiques à l’expérience pour ajuster la viscosité et la tension superficielle du mélange en fonction de la vitesse d’essai, du problème à étudier et des caractéristiques de la surface d’essai. Il est important que le mélange d’huile commence à s’écouler à la vitesse souhaitée et que, après un laps de temps raisonnable, la surface soit relativement sèche avec le motif de surface strié restant. Reportez-vous à Merzkirch26 pour une liste des huiles et pigments candidats à utiliser pour diverses conditions. Un mélange incorrect, basé sur les paramètres expérimentaux spécifiques, peut entraîner soit trop de pigment déposé sur le plancher de surface, ce qui n’entraîne pas de stries claires, soit pas assez de pigment déposé, ce qui n’entraîne pas du tout un motif semblable à une traînée. Lors de l’application du mélange sur le plancher de la section d’essai, les auteurs ont estimé qu’il était préférable de pulvériser le mélange au lieu de le peindre sur la surface, une méthode utilisée par d’autres chercheurs. La peinture du mélange sur la surface a entraîné des lignes striées supplémentaires en raison de l’application.

Dans ce travail, la technique de visualisation du film d’huile de surface est mise en œuvre dans des conditions d’écoulement constant (Vidéo 1). Les conditions d’essai à débit constant donnent normalement des images extrêmement claires en raison des structures debout dans l’écoulement. Cependant, la visualisation du film d’huile est également effectuée dans des conditions d’écoulement instables. Les auteurs étudient actuellement si des informations supplémentaires peuvent être obtenues à partir d’images capturées dans des conditions d’écoulement instables et la validité de cette technique. Les conditions instables d’essai d’écoulement produisent des caractéristiques d’écoulement qui renforcent et affaiblissent tout au long d’un seul cycle d’oscillation. Pour cette raison, des images à grande vitesse de la région dynamique de visualisation du pétrole sont acquises au fur et à mesure que la soufflerie et les générateurs d’instabilité fonctionnent.

L’étude de la séparation tridimensionnelle de l’écoulement d’un hémisphéroïde mural dans un écoulement instable et des pressions de paroi qui en résultent dans le sillage proche améliorera fondamentalement notre compréhension de la séparation de l’écoulement tridimensionnel instable. En plus des applications vocales, cette technique a des applications possibles dans la gestion des dunes de sable costales, l’amélioration du flux secondaire dans la conception d’échangeurs de chaleur, le transfert de masse et l’énergie éolienne.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail est soutenu par la National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 et 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Bioingénierie numéro 84 visualisation du flux d’huile polype du pli vocal séparation tridimensionnelle du flux charges de pression aérodynamiques
Étude de la séparation d’écoulement tridimensionnelle induite par un polype de pli vocal modèle
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Stewart, K. C., Erath, B. D.,… More

Stewart, K. C., Erath, B. D., Plesniak, M. W. Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp. J. Vis. Exp. (84), e51080, doi:10.3791/51080 (2014).

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