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

L’objectif général de l’expérience suivante est d’étudier la séparation tridimensionnelle de l’écoulement induite par un polype modèle des cordes vocales. Ceci est réalisé en montant un hémisphère prote avec un rapport d’aspect de deux à un dans la section d’essai d’une soufflerie pour modéliser une saillie murale, telle qu’un polype ou un nodule. Dans un deuxième temps, des techniques de visualisation de l’écoulement d’huile sont effectuées, qui permettent de visualiser les lignes de friction de la peau et les points de séparation et d’attache dans l’écoulement de surface.

Ensuite, des mesures de pression de surface instationnaire sont acquises autour de la protubérance murale. Afin de quantifier les charges de pression de paroi entourant le polype modèle, les résultats en combinaison avec les données de symétrie des villas d’images de particules montrent la présence d’un vortex en fer à cheval libérant des tourbillons en épingle à cheveux et des charges de pression spatiales et temporelles entourant le polype des cordes vocales modèle, qui devraient contribuer à la dynamique irrégulière des cordes vocales observée chez les patients atteints de conditions pathologiques telles que les polypes ou les nodules. Cette méthode peut donner un aperçu de la dynamique fluide des troubles pathologiques des cordes vocales.

Il peut également être appliqué à d’autres systèmes tels que le flux sanguin et les artères de sténose, la gestion des dunes de sable côtières, le flux secondaire, les échangeurs de chaleur et les applications de l’énergie éolienne. En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode peuvent avoir de la difficulté à déterminer le mélange à base d’huile adapté à leurs conditions d’essai spécifiques. Pour créer le polype de cordes vocales modèle, commencez par construire un polype de conception assistée par ordinateur ou de modèle CAO tridimensionnel.

En tant qu’hémisphère prolate, ajoutez une base carrée au bas du polype des cordes vocales du modèle à utiliser pour ancrer le modèle au sol de la section d’essai. Exportez le modèle CAO 3D sous forme de fichier stéréolithographie ou STL. Choisissez une résolution d’au moins 600 points par pouce pour assurer une surface lisse sur le polype du modèle.

Téléchargez le fichier STL dans le logiciel approprié et imprimez-le à l’aide d’une imprimante 3D haute résolution ou d’un prototypage rapide. Avec une résolution de couche intégrée d’au moins 20 micromètres, le polype est maintenant prêt à être monté dans la soufflerie. La section d’essai en soufflerie est dotée d’une plaque inférieure amovible avec un trou carré situé le long de la ligne médiane dans le sens de l’envergure et à l’emplacement souhaité en aval.

Le trou est utilisé pour le montage du polype des cordes vocales du modèle. Pour vous préparer aux tests d’écoulement d’huile, couvrez la surface intérieure de la section d’essai en soufflerie avec du papier adhésif blanc. Placez soigneusement le papier adhésif pour vous assurer qu’il n’y a pas de plis ou de bosses dus aux bulles d’air.

Découpez un trou dans le papier adhésif au-dessus du trou carré dans le sol de la section d’essai. Replacez ensuite la plaque inférieure amovible dans la section d’essai. Insérez maintenant le polype du modèle dans la position d’ancrage.

Pour vous préparer aux tests à l’aide d’une caméra haute résolution montée au-dessus de la section d’essai en soufflerie, faites la mise au point de la caméra de sorte que son champ de vision inclue le polype du modèle et la zone environnante de la section d’essai. Réglez l’appareil photo pour qu’il acquière des images ou des vidéos. Préparez le mélange d’huile de visualisation de flux en combinant de l’huile pour bébé, du toner de copie, de la poudre et du kérosène dans un rapport de sept à un à deux en volume.

Mélangez l’huile pour bébé et la poudre de toner dans un récipient et remuez pendant quelques secondes jusqu’à ce que le toner soit complètement dissous. Ajoutez ensuite le kérosène et mélangez. Transférez bien le mélange dans un flacon pulvérisateur pour une application facile sur la surface de la section d’essai.

Avant d’appliquer le mélange d’huile, nettoyez la surface de la section d’essai avec de l’eau et séchez-la avec une serviette en papier. Laissez ensuite sécher à l’air libre pendant quelques minutes. Utilisez le flacon pulvérisateur rempli du mélange d’huile pour vaporiser une fine couche uniforme de liquide sur la zone entourant le polype des cordes vocales du modèle.

Une couche mince et uniforme de mélange d’huile est importante pour produire une huile appropriée. Les images de visualisation de film lancent l’acquisition d’image ou de vidéo sur la caméra. L’acquisition de la caméra commence avant la mise sous tension de la soufflerie.

Afin de capturer le mouvement transitoire initial du mélange d’huile, allumez 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. Une fois que le mélange d’huile cesse de couler et atteint un état stable comme le montrent les modèles stationnaires, ou lorsque le temps souhaité est écoulé, arrêtez l’enregistrement de la caméra et éteignez la soufflerie pour ajouter une pression statique.

Taraudage sur la surface du sol de la section d’essai. Commencez à mi-chemin de la position d’ancrage du polype modèle et percez des trous dans la plaque amovible pour créer un motif de grille qui s’étend sur huit points 89 centimètres de large et 22 points 86 centimètres en aval. Montez ensuite des tabulations en acier inoxydable dans les trous entourant le polype modèle dans la configuration souhaitée.

Les tribulations ont un renflement à une extrémité pour la fixation des tubes flexibles et sont droites à l’autre extrémité pour le montage. Lorsqu’elles sont correctement montées, les tribulations sont rincées avec le sol de la section d’essai. Ensuite, fixez de courts morceaux de tubes en polychlorure de vinyle flexibles transparents pour connecter les tabulations en acier inoxydable montées aux ports de mesure du transducteur de pression à balayage.

Le transducteur de pression à balayage dispose de 16 ports de pression. Commencez l’acquisition des données de pression de surface en connectant le transducteur de pression de balayage à un ordinateur et en configurant les paramètres d’acquisition à l’aide du logiciel du transducteur de pression de balayage. Configurez le logiciel d’acquisition pour qu’il acquière des données à 500 hertz pendant la durée souhaitée d’acquisition de données.

Ensuite, réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée. Commencez maintenant l’acquisition de la mesure de pression. Les mesures de pression peuvent être acquises en même temps que n’importe quelle technique de diagnostic de débit souhaitée.

Par exemple, le laser PIV, la symétrie Doppler Vela et l’anémométrie à fil chaud. Le polype modèle a été testé dans des conditions d’écoulement constant avec un nombre de Reynolds de 9 000. La ligne de séparation primaire en amont est représentée par la ligne sombre en amont du polype.

Près du sillage du polype se trouvent deux nœuds de concentration de vorticité, qui sont les points d’attache de deux tubes vortex contrarotatifs qui forment les jambes du vortex en épingle à cheveux en aval. Voici une image de visualisation de l’écoulement d’huile pour un polype modèle en flux transversal avec un nombre de Reynolds de 9 000. Les lignes sombres qui s’étendent en aval des côtés du polype, représentant les limites extérieures du sillage, convergent jusqu’au point d’attache dû au vortex de recirculation derrière l’objet.

Les résultats de visualisation de l’écoulement d’huile pour les conditions d’écoulement constant confirment la formation d’un système de vortex en fer à cheval en amont du polype modèle et de tourbillons en épingle à cheveux en aval du polype. Les mesures de pression en amont et en aval tout au long d’un seul cycle oscillatoire sont présentées ici. La ligne rouge située à la position numéro trois indique le site de la pression la plus basse dans la région de refoulement directement en aval du polype.

On a constaté que les valeurs individuelles des transducteurs de pression changeaient tout au long du cycle, et que la différence de pression entre les emplacements des transducteurs variait en fonction de l’emplacement du cycle et donc de la vitesse moyenne indiquée. Voici une étude connexe utilisant des cordes vocales pilotées et un polype de cordes vocales mural. La direction de l’écoulement du fluide est hors de l’écran.

Les flèches colorées montrent les tracés vectoriels de l’amplitude de la vitesse lorsque les cordes vocales commencent à s’ouvrir. Un canal convergent se forme et un gradient de pression favorable se développe. Le flux passe sur le polype et est dirigé vers la ligne médiane.

Lorsque la glotte atteint sa largeur maximale et adopte une configuration parallèle, deux tourbillons contrarotatifs se forment. Au fur et à mesure que les cordes vocales se rapprochent, le flux est forcé autour du polype et loin de la ligne médiane antérieure postérieure Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques minutes si elle est exécutée correctement. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’acquérir des données de visualisation des écoulements d’huile, qui peuvent être utilisées pour identifier les lignes de friction cutanées, les régions à haute et basse vitesse, et pour construire des cartes topologiques d’écoulements tridimensionnels complexes.