Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Исследование трехмерного разделения потока, вызванного моделью Vocal Fold Polyp

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

Вокальные полипы складок могут нарушить динамику голосовых складок и, таким образом, могут иметь разрушительные последствия для способности пациента общаться. Трехмерное разделение потока, вызванное полипом модели, установленной на стене, и его влияние на нагрузку давления на стене изучаются с использованием велоциметрии изображения частиц, визуализации линии трения кожи и измерений давления стены.

Abstract

Процесс обмена энергией жидкостной структуры для нормальной речи был изучен широко, но это не очень хорошо понимается для патологических состояний. Полипы и узелки, которые являются геометрическими аномалиями, которые образуются на медиальной поверхности голосовых складок, могут нарушить динамику голосовых складок и, таким образом, могут иметь разрушительные последствия для способности пациента общаться. Наша лаборатория сообщила измерения изображения частиц (PIV), в рамках исследования модели полипа, расположенного на медиальной поверхности модели вокальной складки, управляемой in vitro, которые показывают, что такая геометрическая аномалия значительно нарушает поведение глоттальной струи. Эта регулировка поля потока является вероятной причиной серьезной деградации качества вокала у пациентов с полипами. Для продвижения лечения этого патологического состояния необходимо более полное понимание формирования и распространения вортичных структур из геометрического выступа, таких как полип голосовой складки, и полученное в результате влияние на аэродинамические нагрузки, которые управляют динамикой голосовой складки. Настоящее исследование касается трехмерного разделения потока, вызванного настенным пролатом-полушарием с соотношением сторон 2:1 в поперечном потоке, т.е. моделью вокального полипа, используя технику визуализации масляной пленки. Неустойчивое, трехмерное разделение потока и его влияние нагрузки давления стены рассматриваются с помощью визуализации линии трения кожи и измерения давления стены.

Introduction

Вокальные складки две полосы ткани, которые простираются по вокальным дыхательным пути. Озвученная речь производится, когда критическое давление легких достигается, заставляя воздух через аддукционные голосовые складки. Вокальные складки состоят из многих слоев ткани и часто представлены упрощенной двухслойной системой покрытия тела1. Внеклеточная матрица, которая составляет большую часть слоя крышки, состоит из коллагеновых и эластиновых волокон, обеспечивая нелинейные стресс-стрейновые характеристики, которые важны для правильного движения голосовыхскладок 1,2. Аэродинамические силы придают энергию тканям голосовых складок и возбуждают самоокупосадоченные колебания3. По мере того как вокальные складки колеблются, отверстие между ими, именуемое glottis, формирует височно-различное отверстие которое переходит от конвергентного к форме и после этого к дивергенту проходу перед закрывать и повторятьцикл 4.6. Частоты вибрации для нормальной речи обычно охватывают 100-220 Гц у мужчин и женщин соответственно, создавая пульсирующее поле потока, которое проходит через glottis7. Процесс обмена энергией жидкостной структуры для нормальной речи был изучен широко8-12; однако, нарушение этого процесса для некоторых патологий не очень хорошо понимается. Патологические состояния вокальных складок могут привести к резким изменениям в их динамике и повлиять на способность генерировать озвученную речь.

Полипы и узелки являются геометрическими аномалиями, которые образуются на медиальной поверхности голосовых складок. Эти аномалии могут повлиять на способность пациента общаться13. Тем не менее, только недавно имеет нарушение потока поля из-за геометрического выступа, таких как полип считается14. Это исследование показало, что "нормальный" жидкостной структуры энергосбытих процесс речи был резко изменен, и что изменение потока поле является наиболее вероятной причиной серьезного ухудшения качества вокала у пациентов с полипами и узелками. Не было установлено всеобъемлющего понимания структур потока, производимых трехмерным отделением потока от полипа в пульсирующем потоке. Генерация и распространение вортических структур из полипа, а также их последующее воздействие на аэродинамические нагрузки, которые управляют динамикой голосовых складок, является необходимым важнейшим компонентом для продвижения хирургического восстановления полипов у пациентов.

В то время как разъединение потока от стены установлен полушария вустойчивый поток был исследован 15-23, удивительно, что мало информации о нестационарных трехмерных разъединения потока от полушария на стене при условии пульсирующих или нестационарных условий потока, как это находится в речи. Семенная работа Акарлара и Смита15 обеспечила анализ трехмерных когерентных структур, порожденных устойчивым потоком через стену, установленную полушарием в ламинарном пограничном слое. Акарлар и Смит определили два типа вортических структур. Постоянный вихрь подковы был сформирован вверх по течению от выступа полушария и расширен ниже по течению от выступа с обеих сторон. Кроме того, шпильки вихри были периодически пролить от стены установлен полушария в результате. Сложное движение и прогрессирование шпильки вихри были исследованы и описаны в деталях.

Ранее изучался поток по гладкоочертной осиметрической холму, в котором были получены как поверхностные статические измерения давления, так и визуализация поверхностного масла на и ниже по течению от шишки в пределах турбулентного потока снора. Масляная пленка методы позволяют визуализировать линии трения кожи, высокой и низкой скорости регионов, а также разделения и крепления точек в пределах поверхностного потока, и полезны для исследования следа стены установлен объект. Для этого метода поверхность интереса покрыта тонкой пленкой масляного основания и тонкого порошкового пигмента(т.е. лампового пузыря, графитового порошка или диоксида титана) смеси. При желаемых условиях потока фрикционные силы приводят к тому, что масло двигается по поверхности, в результате чего пигментный порошок откладывается в полоски. Критические или сингулярности точек, места, где стресс снятия снора равна нулю или два или более компонентов среднего скорости равна нулю, могут быть классифицированы из результирующей кожи трения линии картины, как седло точек или нордныхточек 24-26.

Для геометрии холма не было обнаружено сингулярности, вызванной разделением; это было связано с плавно восходящим контуром удара, который не генерирует градиент неблагоприятного давления, который возникает с выступом полушария. Следовательно, поток был найден, чтобы ускорить до вершины удара, после чего, нестационарные седло-фокус разделения точек разработаны вскоре мимо удар центральной линии, как и следовало ожидать от формирования волосянойвихрь 27,28. В исследовании с использованием аналогичных экспериментальных методов с другой геометрией, установленной на стене, масляная пленка визуализации вокруг поверхностного куба в устойчивый поток в исполнении Martinuzzi и Tropea29 отображается две четкие линии трения кожи вверх по течению объекта. Первая линия трения кожи соответствовала первичной линии разделения, вызванной градиентом отрицательного давления, а вторая линия трения кожи обозначила усреднее по времени расположение вихря подковы. Измерения поверхностного давления, выполненные вверх по течению объекта, показали локальный минимум вдоль линии подковового вихря и локальный максимум давления между первичным разделением и линиями вихря подковы. Аналогичные линии разделения вверх по течению образуются с другими поверхностными геометриями, включая круговой цилиндр, пирамиду иконус 29-31. Визуализация поверхности ниже по течению от настенных объектов обычно отображает два очага, вызванных областью рециркуляции за объектом30. Два вихря генерируются в foci позиции и соответствуют "арх-типа" или шпильки вихрь видели в результате стены установлен полушария32.

Частица изображения велоциметрии (PIV) ранее была использована для изучения потока вниз по течению синтетических вокальныхмоделей раза 33-35. PIV является неинвазивной визуализации метод, который изображения потока трассировщик движения частиц в плоскости, чтобы захватить пространственно-временной динамикижидкости 36. Трехмерные когерентные структуры, которые образуют вниз по течению колеблющихся голосовых складок, были изучены Neubauer et al. 37лет; наблюдалось поколение вихрей, конвекция и струйное хлопание. Недавно, Кребс и др. 38 изучил трехмерность глоттальной струи с помощью стереоскопического PIV и результаты демонстрируют glottal переключения оси струи. Эрат и Плесняк14 исследовали влияние полипа вокальной складки модели на медиальной поверхности 7,5-кратной динамической модели вокальной складки. Область рециркуляции была сформирована ниже по течению от полипа, и динамика струи была затронута на протяжении всего фонаторного цикла. Предыдущие исследования, за исключением приводом вокальные раза полип исследования Эрати Плесняк 14, не исследовали динамику жидкости, вызванной медиальной вокальной раз полип или узел.

Важно понимать жидкостный динамический эффект полипа модели в устойчивых и пульсирующих потоках, прежде чем включить дополнительную сложность движущихся стенок голосовой складки, индуцированные градиенты давления, ограниченный геометрический объем и другие тонкости. Текущая работа сосредоточена на сигнатурной структуре потока на стене ниже по течению как в устойчивых, так и в нестабильных условиях потока. Взаимодействия между вортическими структурами, которые проливаются от выступа и вниз по течению стены представляет большой интерес для исследования вокальных полипов раза, а также другие биологические соображения, так как эти взаимодействия вызывают биологическую реакцию.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

В этой работе на полу испытательного участка аэродинамической трубы типа всасывания расположен настенный пролат полушария, т.е. полип голосовой складки модели, то есть полип типа всасывания. Неустойчивое, трехмерное разделение потока и его влияние на нагрузку давления стены исследованы с помощью визуализации потока масла, измерения давления стены и велоциметрии изображения частиц. Нестационарные измерения давления приобретаются с помощью шестнадцатиканного сканирующего предуцера давления с помощью датчиков пьезорского давления. Датчики давления имеют частотную реакцию 670 Гц. Статические краны давления, образованные из труб из нержавеющей стали, установлены вверх и вниз по течению от полипа голосовой складки модели для облегчения измерений поверхностного давления и короткого давления к сканирующей давлению устройства. Визуализация потока нефти и измерения поверхностного давления не могут быть приобретены одновременно, потому что нефть будет поступать в краны давления, вызывая загрязнения.

В следующем разделе содержится протокол для настройки и приобретения визуализации масляной пленки и измерения поверхностного давления вокруг стены, установленной пролатом полушария. Несмотря на то, что в настоящее время приобретаются измерения велоциметрии изображения частиц, усреднено и время, решенное по времени, в этот протокол не включено приобретение PIV. Авторы предлагают ссылки Раффеля и др. 36 и Адриан и Вестервил39 для глубокого понимания экспериментальной установки PIV, сбора данных и обработки данных.

1. Создание выступов(т.е. модель полип)

  1. Создайте трехмерную компьютерную модель (CAD) с желаемой геометрией. Создать модель вокальной раз полип в качестве пролата полушария измерения 5,08 см в длину, 2,54 см в ширину и 1,27 см в высоту. Намонтировать 2,54 см квадратный основание, которое составляет 0,64 см толщиной в нижней части модели вокальной раз полип. Эта база будет использоваться для прикрепления модели к полу испытательного участка.
  2. Экспорт модели 3D CAD в качестве файла стереолитографии (STL). Формат файла STL генерирует поверхность модели в серии треугольников. Выберите адекватное разрешение, чтобы обеспечить гладкую поверхность на полипе модели. Рекомендуется разрешение не менее 600 точек/в.
  3. Загрузите файл STL в соответствующее программное обеспечение и распечатайте файл STL с помощью трехмерного принтера высокого разрешения или быстрого прототипа с разрешением слоя сборки не менее 20 мкм.
  4. Испытательный участок аэродинамической трубы составляет примерно 30,48 см х 30,48 см х 121,92 см со съемной нижней пластиной, как показано на рисунке 1. Мельница 2,54 см квадратное отверстие примерно 0,85 см вглубь аэродинамической трубе испытательного пола съемной пластины для установки модели вокальные раза полип для тестирования. Отверстие должно быть расположено в центре ширины испытательного участка и находиться в нужном месте ниже по течению для тестирования.

2. Подготовка визуализации потока нефти

  1. Для подготовки испытательного раздела накройте поверхность испытательного участка внутри аэродинамической трубы белой клейкой бумагой. Аккуратно поместите и разгной клей бумаги для обеспечения того, чтобы тест раздел пол не имеет ударов из-за пузырьков воздуха или складки в клей бумаги. Вырежьте отверстие в клейкой бумаге над квадратным отверстием в полу испытательного участка для модели полип якорь прикрепить к стене испытательного раздела.
  2. Вставьте выступ (модель вокального полипа) в якорное положение для подготовки к тестированию. Смотрите рисунок 1.
  3. Намонтировать камеру высокого разрешения над испытательной секцией аэродинамической трубы. Сосредоточьте камеру на выбранном поле зрения, включая полип модели и окружающую область испытательного раздела. Установите параметры приобретения камеры для тестирования. Настройка видео должна использоваться для захвата переходной части визуализации потока нефти или если нестационарные или пульсирующие потоки представляющие интерес.
  4. Подготовьте смесь масла для визуализации потока, объединив детское масло, копирователь тонера и керосин в соотношении 7:1:2 по объему. Например: смешайте 35 мл детского масла, 5 мл порошка тонера и 10 мл керосина. Смешайте детское масло и тонер порошок вместе в контейнере и перемешать, пока тонер полностью растворяется. Затем добавить керосин и хорошо перемешать.
  5. Перенесите смесь в бутылку для легкого нанесения на поверхность испытательного раздела.

3. Измерения визуализации потока нефти

  1. Очистите и высушите поверхность испытательного участка перед каждым применением масляной смеси.
  2. Используйте спрей бутылку, наполненную масляной смесью, чтобы распылить тонкий, овый слой жидкости над разделом интереса. Тонкий, даже слой масляной смеси имеет важное значение для создания надлежащих изображений визуализации масляной пленки.
  3. Инициировать получение изображения или видео на камеру. Начните приобретение камеры, прежде чем аэродинамической трубе включен для того, чтобы захватить первоначальные переходные движения смеси нефти.
  4. Установите всасывающую аэродинамической трубе на нужную скорость. Масляная смесь начнет течь по поверхности испытательного участка.
  5. После того, как масляная смесь перестает течь и достигла стабильного состояния(т.е. модели неподвижны), или когда желаемое время прошло, остановить запись камеры и питания вниз аэродинамической трубе.
    Примечание: Видео 1 отображает масляную смесь, протекающую до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние и не станет неподвижным рисунок трения кожи. На видео поток движется слева направо.

4. Подготовка к измерению поверхностного давления

  1. Подготовьте поверхность пола испытательного участка (съемную пластину) путем бурения отверстий для монтажа труб из нержавеющей стали (0,16 см внешнего диаметра и 2,54 см в длину) в пол испытательного участка для создания кранов статического давления. Начиная с средней линии якорного положения полушария пролата, просель отверстия на сетке, которая охватывает 8,89 см в направлении spanwise и 22,86 см вниз по течению с 1,27 см spanwise сетки интервал и 2,54 см вниз по течению сетки интервал (см. рисунок 1). Трубы из нержавеющей стали имеют выпуклость на одном конце для крепления гибких труб и прямо на другом конце для монтажа.
    Примечание: Статические краны давления могут быть расположены с более тесными интервалами для более тонкой сетки мест приобретения давления.
  2. Накрените трубоуборки, окружающие якорное положение стены, установленные пролатом-полушарием(т.е. моделью вокального складного полипа) в нужной конфигурации на полу испытательного участка для подготовки к тестированию. Трубоувления должны быть установлены заподлицо с испытательным полом раздела.
  3. Прикрепите кусочки короткой гибкой трубки (длина 6,35 см, внутренний диаметр 0,159 см, 0,475 см внешнего диаметра ясно поливинилхлоридных труб) от установленных труб из нержавеющей стали до экранирования давления трансдуцера измерительных портов. Трансдукер сканирующего давления имеет шестнадцать портов давления.

5. Приобретение измерения давления поверхности

  1. Подключите трансдуцатора сканирующего давления к компьютеру и настройте параметры приобретения с помощью программного обеспечения для трансдуцера давления сканирования. Установите программное обеспечение для приобретения данных на частоте 500 Гц на желаемый срок сбора данных.
    Примечание: Данные были получены с максимальной частотой отбора проб трансдуцера давления сканирования, 500 Гц, из-за небольших колебаний давления на низких частотах колебаний.
  2. Установите всасывающую аэродинамической трубе на нужную скорость.
  3. Начните приобретение измерения давления. Измерения давления могут быть приобретены одновременно с любой желаемой техникой диагностики потока(например, PIV, лазерная доплеровская анемометрия, горячая проволока анемометрия и т.д.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Предыдущая работа с использованием 7,5-кратной динамической модели вокальной складки показала, что наличие геометрического выступа, модели вокального полипа, нарушает нормальную динамику глоттального струи на протяжении всего фонатного цикла. Репрезентативные результаты предыдущего исследования вокальной модели отображаются на рисунке 2 и видео 2. Видео демонстрирует движение управляемых голосовых складок при их изменении от конвергентной к дивергентной геометрии. Вокальные модели складок были динамически управляемых на 1,67 Гц с номером Рейнольдс 995 и Strouhal число 1,9 х 10-2. Данные были получены в плоскости траверса 7,5 мм вниз по течению от полипа с использованием фазового изображения частицы велоциметрии14. По мере открытия голосовых складок формируется конвергентный канал и развивается благоприятный градиент давления. Поток начинает вращаться вокруг модели полип к концу фазы открытия, когда glottis находится на максимальной ширины и вокальные складки находятся в параллельной конфигурации, и в заключительной фазе. Два счетчика вращающихся вихрей образуются, как показано на рисунках 2b и 2c. По мере того как вокальные складки закрывают, поток принуждается вокруг полипа и далеко от передней-задней средней линии. Текущая работа является исследование влияния настенных полушария в устойчивых и пульсирующих условиях перекрестного потока без дополнительных сложностей физиологических голосовых складок. Предварительные результаты были получены для соотношения сторон 2:1, пролата полушария; схема экспериментального тестового раздела отображается на рисунке 1. Модель полип был протестирован в условиях устойчивого потока на Рейнольдс номера в диапазоне от 6000-9000; результаты визуализации потока нефти отображаются на рисунках 3 и 4. На рисунке 3 представлен изометрический вид полипа модели в устойчивых условиях с потоком, перемещаемым слева направо. Концентрированная нефтяная линия вверх по течению полипа (слева от полипа) и на поверхности полипа отображают разделительные линии. Большая концентрированная область масла только вниз по течению (справа) полипа представляет узлов концентрации вихря, которые являются точками крепления для двух контр-вращающихся вихревых труб, которые образуют ноги вихря волосяной веточки вниз по течению. Рисунок 4 отображает вид сверху модели полипа в поперечном потоке с потоком, перемещаемым сверху вниз на рейнольдса число 9000. Узел крепления виден вниз по течению (см. ниже) полипом голосовой складки модели. Результаты визуализации потока масла для условий устойчивого потока подтверждают образование системы подковы вихря вверх по течению от модели полипа и шпильки вихри вниз по течению от выступа, как показано с другими объектамистены установлены 18,24,29,40.

Нестабильные условия потока, с числом Рейнольдса (на основе среднего скорости 7,01 м/сек) 6300 и числом 1,2 х 10-3,приводят к пространственным и временным колебаниям давления. Неустойчивый поток колеблется ± 2,29 м/сек с частотой 0,6 Гц. Рисунок 5 отображает измерения давления вверх и вниз по течению в течение одного осцилляторного цикла. Красная линия (расположенная под номером 3) указывает на место наименьшего давления в области обратного потока непосредственно вниз по течению полипа. Было установлено, что значения трансдуцера индивидуального давления меняются на протяжении всего цикла, и разница в давлении между местами преобразоваваемого изменения варьируется в зависимости от местоположения цикла и, следовательно, означает скорость.

Figure 1
Рисунок 1. Схема испытательного участка аэродинамической трубы. а.) Полный тестовый раздел показан с ввесят потока слева и розетки справа. б.) Крупным планом съемной тестовой секции напольной пластины с 2:1 аспект соотношение стены установлен пролат полушария. Нажмите здесь, чтобы просмотреть изображение большего размера.

Figure 2
Рисунок 2. Поля скорости вниз по течению модели вокального раза полип установлен на медиальной поверхности 7,5 раз масштабируется приводом вокальной модели раза. a.) Динамически управляемый вокальный складной модель схематического отображения направления потока свободного потока. б.) и c.) Поперечные поля скорости в два мгновения во время фонаторного цикла в плоскости y-z на х 7,5 мм ниже по течению от модели полип, установленный на медиальной поверхности. Поля скорости построены как векторные участки скорости величиной14. Нажмите здесь, чтобы просмотреть изображение большего размера.

Figure 3
Рисунок 3. Изометрический вид на настенный пролат полушария(т.е. модель вокального полипа) в поперечном потоке (Re 9000). Первичная линия разделения вверх по течению отображается как темная линия вверх по течению (слева) полипа. Два узла концентрации вихря расположены в ближнем следе стены установлен пролат полушария. Нажмите здесь, чтобы просмотреть изображение большего размера.

Figure 4
Рисунок 4. Образ визуализации потока нефти для пролата полушария в поперечном потоке (Re 9,000). Темные линии, простирающиеся вниз по течению со стороны полипа (представляющие внешние границы поминки), сходятся до точки крепления из-за вихря рециркуляции позади объекта. Определены местоположения первичной линии разделения вверх по течению, линии разграничения полушария, узлов концентрации вихрей и узла крепления вниз по течению. Нажмите здесь, чтобы просмотреть изображение большего размера.

Figure 5
Рисунок 5. Измерения давления вверх и вниз по течению одного цикла неустойчивого потока на число Рейнольдса на основе среднего числа 6300 и числа Strouhal 1,2 х 10-3 над стеной установлен пролат полушария. Между измеренными превью давления наблюдались различия в пространственном и временном давлении. Нажмите здесь, чтобы просмотреть изображение большего размера.

Нажмите здесь, чтобы просмотреть видео 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.

Нажмите здесь, чтобы просмотреть видео 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Понимание формирования и распространения вортических структур от геометрического выступа и их последующее влияние на аэродинамические нагрузки, которые управляют динамикой голосовых складок, необходимо для того, чтобы дать представление и модели для того, чтобы продвинуть лечение вокальных полипов и узелков. Изменения в аэродинамических нагрузках, вызванных полипом модели в этом эксперименте, как ожидается, будут способствовать неправильной динамике голосовых складок, наблюдаемойу пациентов с полипами 13,41. Будущая работа включает изучение трехмерного разделения потока в условиях неустойчивого потока с использованием велоциметрии изображения частиц и сопоставление результатов с визуализацией поверхностного потока и данными о давлении поверхности.

Визуализация потока нефти является полезным и эффективным методом для выявления поверхностных топологических особенностей, таких как линии трения кожи и области высокой и низкой скорости. Классификация линий разделения или крепления и узлов от визуализации потока поверхности является важным шагом в построении топологических карт, иногда называемых скелетами вихрей, областей разделения и крепления сложных трехмерных потоков на основе теориикритических то пойнтов 24,40,42. Поскольку визуализация потока нефти является прежде всего качественным измерением, важно, чтобы качественные результаты визуализации потока нефти соелерулись с количественными результатами измерений поверхностного давления и PIV. Разработка топологической карты помогает понять и определить трехмерные структуры потока и связать результаты визуализации потока нефти с результатами измерений PIV.

Ограничения метода визуализации потока нефти включают невозможность получения одновременных данных визуализации потока нефти с измерением поверхностного давления или данными о велоциметрии изображения частиц, а также ограниченную способность метода отслеживать неустойчивость и движение в расположении критических точек, вызванных нестационарных потоков. Оптимальная смесь визуализации потока масла зависит от конкретных параметров эксперимента для регулировки вязкости и поверхностного натяжения смеси на основе скорости тестирования, исследуемой проблемы и характеристик испытательной поверхности. Важно, чтобы масляная смесь начала течь с желаемой скоростью и чтобы, после разумного количества времени, поверхность должна быть относительно сухой с полосатой поверхности картины оставшихся. Обратитесь к Merzkirch26 для списка кандидатов масла и пигменты для использования для различных условий. Неправильная смесь, основанная на конкретных экспериментальных параметрах, может привести либо к слишком много пигмента, отложенного на поверхности пола, что не приводит к четким полосам, или не хватает пигмента на хранение, что не приводит к полосы, как шаблон на всех. При применении смеси на пол испытательного участка, авторы сочли лучшим, чтобы распылить смесь вместо краски смеси на поверхность, метод, используемый другими следователями. Покраска смеси на поверхность привела к дополнительным полосатым линиям из-за применения.

В этой работе техника визуализации поверхностных масляных пленк реализуется в условиях устойчивого потока(видео 1). Устойчивые условия тестирования потока обычно приводят к очень четким изображениям из-за постоянных структур в потоке. Тем не менее, визуализация масляной пленки также выполняется в нестабильных условиях потока. В настоящее время авторы изучают, можно ли получить какую-либо дополнительную информацию из изображений, полученных в нестабильных условиях потока, и обоснованность этого метода. Нестабильные условия тестирования потока производят функции потока, которые укрепляют и ослабляют на протяжении всего одного цикла колебаний. По этой причине по мере работы аэродинамической трубы и нестационарных генераторов приобретаются высокоскоростные изображения динамического региона визуализации нефти.

Исследование трехмерного отделения потока от стены, установленной полушарием в неустойчивом потоке, и возникшее в результате этого давление стены в ближнем следе коренным образом улучшат наше понимание неустойчивого трехмерного разделения потока. В дополнение к речевому применению, этот метод имеет возможное применение в управлении затратными песчаными дюнами, повышение вторичного потока в конструкции теплообмекательного, массового переноса и энергии ветра.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторов нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа поддерживается Национальным научным фондом, Грант No. CBET-1236351 и Центр биомиметики и биоинспирированных технологий (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

  1. Hirano, M., Kakita, Y. Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science--recent advances. , College Hill Press. San Diego, CA. 1-46 (1985).
  2. 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).
  3. Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal fold. J. Acoustic. Soc. Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
  4. 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).
  5. Shaw, H. S., Deliyski, D. D. Mucosal wave: a normophonic study across visualization techniques. J. Voice. 22 (1), 23-33 (2008).
  6. 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).
  7. Fant, G. Acoustic Theory of Speech Production. Mouton and Co. N. V.: The Hague. , 15-79 (1960).
  8. Wegel, R. L. Theory of vibration of the larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 1, 1-21 (1930).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Petrović-Lazić, M., Kosanović, R. Acoustic analysis findings in patients with vocal fold polyp. Acta Med. Saliniana. 38 (2), 63-66 (2009).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Savory, E., Toy, N. Hemisphere and hemisphere-cylinders in turbulent boundary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364 (1986).
  18. Tamai, N., Asaeda, T., Tanaka, N. Vortex structures around a hemispheric hump. Boundary-Layer Meteorol. 39, 301-314 (1987).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Manhart, M. Vortex shedding from a hemisphere in a turbulent boundary layer. Theor. Comp. Fluid Dyn. 12, 1-28 (1998).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Legendre, R. Lignes de courant d'un ecoulement permanent: decollement et separation. La Recherche Aérospatiale. 6, 327-335 (1977).
  26. Merzkirch, W. Visualization of Surface Flow. Flow Visual. , 82-89 (1987).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Triep, M., Brücker, C. Three-dimensional nature of the glottal jet. The Journal of the Acoustic. Soc. Am. 127 (3), 1537-1547 (2010).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer Verlag. (1998).
  37. 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).
  38. Krebs, F., Silva, F., Sciamarella, D., Artana, G. A three-dimensional study of the glottal jet. Exp. Fluids. 52 (5), 1133-1147 (2011).
  39. Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. 30, Cambridge University Press. (2010).
  40. Tobak, M., Peake, D. J. Topology of three-dimensional separated flows. Ann. Rev. Fluid Mech. 14, 61-85 (1982).
  41. Zhang, Y., Jiang, J. J. Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx. Chaos. 18, 43102 (2008).
  42. Délery, J. M., Jean, M. Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation. Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).

Tags

Биоинженерия выпуск 84 визуализация потока масла полип голосовой складки трехмерное разделение потока аэродинамические нагрузки давления
Исследование трехмерного разделения потока, вызванного моделью Vocal Fold Polyp
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter