Waiting
Elaborazione accesso...

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

Bioengineering

التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نموذج بوليب أضعاف الصوتية

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

يمكن أن تعطل الاورام الحميدة أضعاف الصوتية ديناميات أضعاف الصوتية، وبالتالي يمكن أن يكون لها عواقب مدمرة على قدرة المريض على التواصل. يتم فحص فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن البوليب نموذج محمول على الحائط وتأثيره على تحميل ضغط الجدار باستخدام قياس جسيمات الصورة، وتصور خط الاحتكاك الجلد، وقياسات ضغط الجدار.

Abstract

تمت دراسة عملية تبادل الطاقة ذات الهيكل السائل للكلام العادي على نطاق واسع ، ولكنها ليست مفهومة جيدا للحالات المرضية. يمكن أن تعطل الاورام الحميدة والعقيدات ، وهي تشوهات هندسية تتشكل على السطح الوسطي للطيات الصوتية ، ديناميات الطي الصوتي وبالتالي يمكن أن يكون لها عواقب مدمرة على قدرة المريض على التواصل. أبلغ مختبرنا عن قياسات قياس معدل الجسيمات (PIV) ، ضمن تحقيق في نموذج متعدد الأضلاع يقع على السطح الوسطي لنموذج أضعاف صوتي مدفوع في المختبر ، والذي يظهر أن مثل هذا الشذوذ الهندسي يعطل إلى حد كبير سلوك النفاثة الجلوتال. هذا التكيف حقل التدفق هو سبب محتمل للتدهور الشديد للجودة الصوتية في المرضى الذين يعانون من الاورام الحميدة. من الضروري فهم أكثر اكتمالا لتشكيل وانتشار الهياكل الهضمية من نتوء هندسي ، مثل متعدد الأضلاع الصوتي ، والتأثير الناتج على التحميلات الهوائية التي تدفع ديناميكيات الطي الصوتي ، لتعزيز علاج هذه الحالة المرضية. ويتعلق هذا التحقيق بفصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نصف كروي برولات مثبت على الحائط بنسبة عرض إلى ارتفاع 2:1 في التدفق العرضي، أي نموذج بوليب أضعاف صوتية، باستخدام تقنية تصور فيلم النفط. يتم فحص فصل التدفق ثلاثي الأبعاد غير المستقر وتأثيره على تحميل ضغط الجدار باستخدام تصور خط احتكاك الجلد وقياسات ضغط الجدار.

Introduction

الطيات الصوتية هي شريطان من الأنسجة التي تمتد عبر مجرى الهواء الصوتي. يتم إنتاج الكلام المعرب عنه عندما يتم تحقيق ضغط الرئة الحرجة، مما اضطر الهواء من خلال طيات الصوتية adducted. تتكون الطيات الصوتية من طبقات عديدة من الأنسجة وغالبا ما يتم تمثيلها بنظام مبسط من طبقتين لتغطية الجسم1. المصفوفة خارج الخلية، والتي تشكل غالبية طبقة الغطاء، وتتكون من الكولاجين وألياف الإيلاستين، وتوفير خصائص الإجهاد الإجهاد غير الخطية، والتي هي مهمة للحركة السليمة للطيات الصوتية1،2. القوى الهوائية نقل الطاقة إلى أنسجة طيات الصوتية وتثير التذبذبات الذاتية3. كما تتذبذب طيات الصوتية، وفتح بينهما، ويشار إليها باسم glottis، يشكل فتحة متفاوتة زمنيا أن ينتقل من متقاربة إلى موحدة ومن ثم إلى مرور متباينة قبل إغلاق وتكرار دورة4،6. ترددات الاهتزاز للكلام العادي تمتد عادة 100-220 هرتز في الذكور والإناث على التوالي، وخلق حقل تدفق النابض الذي يمر عبر glottis7. وقد درست عملية تبادل الطاقة بنية السوائل للكلام العادي على نطاق واسع8-12; ومع ذلك ، فإن تعطيل هذه العملية لبعض الأمراض غير مفهوم جيدا. يمكن أن تؤدي الظروف المرضية للطيات الصوتية إلى تغييرات جذرية في ديناميكياتها وتؤثر على القدرة على توليد الكلام المعرب عنه.

الاورام الحميدة والعقيدات هي تشوهات هندسية تتشكل على السطح الوسطي للطيات الصوتية. هذه التشوهات يمكن أن تؤثر على قدرة المريض على التواصل13. ومع ذلك، إلا في الآونة الأخيرة قد اضطراب في مجال التدفق بسبب protuberance هندسية مثل ورم اعتبر14. وأظهرت تلك الدراسة أن عملية تبادل الطاقة "العادية" ذات الهيكل السائل للكلام قد تغيرت بشكل كبير، وأن تعديل مجال التدفق كان السبب الأكثر احتمالا للتدهور الشديد للجودة الصوتية لدى المرضى الذين يعانون من الاورام الحميدة والعقيدات. ولم يتم الانتهاء من فهم شامل لهياكل التدفق الناتجة عن فصل التدفق ثلاثي الأبعاد عن ورم في التدفق النابض. إن توليد وانتشار الهياكل الهضمية من ورم ، وتأثيرها اللاحق على التحميلات الهوائية التي تدفع ديناميكيات الطي الصوتي هو عنصر حاسم ضروري لتعزيز المعالجة الجراحية للاورام الحميدة في المرضى.

في حين تم التحقيق في فصل التدفق من جدار مثبت في نصف الكرة الأرضية في تدفق ثابت15-23، من المستغرب ، هناك القليل من المعلومات المتعلقة بفصل التدفق ثلاثي الأبعاد غير المستقر عن نصف الكرة الأرضية على جدار يخضع لظروف التدفق النابض أو غير المستقر كما هو موجود في الكلام. قدم العمل الأساسي ل Acarlar و Smith15 تحليلا للهياكل المتماسكة ثلاثية الأبعاد الناتجة عن التدفق المطرد فوق جدار مثبت في نصف الكرة الأرضية داخل طبقة حدود صفح. حدد أكارلار وسميث نوعين من الهياكل الهجائية. تشكلت دوامة حدوة حصان دائمة في المنبع من نتوء نصف الكرة الأرضية وامتدت إلى المصب من protuberance على كلا الجانبين. بالإضافة إلى ذلك ، تم إلقاء دوامات دبوس الشعر بشكل دوري من نصف الكرة الأرضية المثبت على الحائط في أعقابه. تم التحقيق في الحركة المعقدة والتقدم من دوامات دبوس الشعر ووصفها بالتفصيل.

وقد درس التدفق فوق تلة محورية محيطة بسلاسة في السابق حيث تم الحصول على كل من قياسات الضغط الثابت السطحي وتصور زيت السطح على ومصب النتوء داخل تدفق القص المضطرب. تقنيات النفط فيلم تمكين التصور من خطوط الاحتكاك الجلد، والمناطق عالية ومنخفضة السرعة، ونقاط الفصل والتعلق داخل تدفق السطح، ومفيدة للتحقيق في أعقاب كائن محمولة على الحائط. لهذه التقنية، سطح الاهتمام هو المغلفة مع فيلم رقيقة من النفط قاعدة ومسحوق الصباغ غرامة(أي lampblack، مسحوق الجرافيت، أو ثاني أكسيد التيتانيوم) خليط. في ظروف التدفق المطلوبة ، تتسبب القوى الاحتكاكية في تحرك الزيت على طول السطح مما يتسبب في ترسب مسحوق الصباغ في الشرائط. نقاط الحرجة أو التفرد، والمواقع التي يكون فيها الإجهاد القص هو صفر أو اثنين أو أكثر من مكونات السرعة المتوسطة هي صفر، يمكن تصنيفها من نمط خط الاحتكاك الجلد الناتجة كنقاط السرج أو نقاطالعقدة 24-26.

بالنسبة لهندسة التل ، لم يتم العثور على تفرد ناجم عن الانفصال في المنبع ؛ ويعزى هذا إلى كفاف تصاعدي بسلاسة من عثرة، والتي لم تولد الانحدار الضغط السلبي الذي يحدث مع بروتوبرانس نصف الكرة الأرضية. وبالتالي ، تم العثور على تدفق لتسريع حتى ذروة عثرة وبعد ذلك ، غير مستقر السرج التركيز نقاط الفصل وضعت بعد فترة وجيزة من خط الوسط عثرة ، كما هو متوقع من تشكيل دوامة دبوس الشعر2728. في دراسة باستخدام تقنيات تجريبية مماثلة مع هندسة مختلفة محمولة على الحائط ، وعرض تصور النفط فيلم حول مكعب محمولة على السطح في تدفق ثابت التي يؤديها مارتينوزي وS tropea29 خطين الاحتكاك الجلد واضحة المنبع من الكائن. يتوافق خط احتكاك الجلد الأول مع خط الفصل الأساسي الناجم عن تدرج الضغط السلبي وخط احتكاك الجلد الثاني الذي يمثل الموقع المتوسط زمنيا لدوامة حدوة الحصان. وأظهرت قياسات الضغط السطحي التي أجريت في المنبع من الجسم الحد الأدنى المحلي على طول خط دوامة حدوة الحصان والحد الأقصى للضغط المحلي بين الفصل الأساسي وخطوط دوامة حدوة الحصان. تتشكل خطوط فصل المنبع مماثلة مع غيرها من الأشكال الهندسية المثبتة على السطح بما في ذلك اسطوانة دائرية، الهرم، ومخروط29-31. عرض التصور السطحي المصب للكائنات المثبتة على الحائط عادة بؤرتين بسبب منطقة إعادة التدوير خلف الكائن30. يتم إنشاء دوامتين في مواقع بؤر وتتوافق مع "قوس من نوع" أو دوامة دبوس الشعر ينظر في أعقاب نصف الكرة الأرضية المثبتة على الحائط32.

وقد استخدمت سابقا velocimetry صورة الجسيمات (PIV) لدراسة تدفق المصب من نماذج أضعاف الصوتيةالاصطناعية 33-35. PIV هو تقنية التصور غير الباضعة التي تتدفق الصور حركة الجسيمات التتبع داخل طائرة في لالتقاط ديناميات السوائل الصدغية ملعقة36. وقد درست هياكل متماسكة ثلاثية الأبعاد التي تشكل المصب من طيات الصوتية المتذبذبة من قبل Neubauer وآخرون. 37; ولوحظ توليد الدوامة الحمل الحراري والرفرفة النفاثة. في الآونة الأخيرة، كريبس وآخرون. 38 درس ثلاثي الأبعاد للطائرة glottal باستخدام PIV مجسمة والنتائج تظهر تبديل محور النفاثة glottal. حقق إيراث وبلزنياك14 في تأثير نموذج بوليب أضعاف الصوتية على سطح وسيط من 7.5 مرات تحجيم متابعة نموذج أضعاف الصوتية مدفوعة ديناميكيا. تشكلت منطقة إعادة تدوير المصب من البوليب وتأثرت ديناميات النفاثة طوال الدورة الصوتية. الدراسات السابقة، باستثناء دراسة متعددة أضعاف الصوتية مدفوعة من قبل إيراث وبليسنياك14،لم تستكشف ديناميات السوائل الناجمة عن بوليب أضعاف الصوتية الوسيطة أو العقيدات.

من المهم فهم التأثير الديناميكي للسائل من البوليب النموذجي داخل حقول التدفق الثابتة والنبضية قبل تضمين التعقيد الإضافي للجدران المتحركة للطية الصوتية ، وتدرجات الضغط المستحثة ، والحجم الهندسي المحصور وغيرها من التعقيدات. ويركز العمل الحالي على توقيع هياكل التدفق على الجدار السفلي في ظل ظروف تدفق ثابتة وغير مستقرة على حد سواء. التفاعلات بين الهياكل vortical التي يتم تسليطها من نتوء وجدار المصب هو ذات أهمية كبيرة للتحقيق في الاورام الحميدة أضعاف الصوتية، فضلا عن الاعتبارات البيولوجية الأخرى، وهذه التفاعلات تثير استجابة بيولوجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

في هذا العمل، يتم وضع نصف الكرة الأرضية البرولاطية المثبتة على الحائط، أي نموذج بوليب أضعاف الصوتية، على أرضية قسم الاختبار من نفق الرياح نوع الشفط مع نسبة انكماش 5:1. يتم التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد غير المستقر وتأثيره على تحميل ضغط الجدار باستخدام تصور تدفق النفط وقياسات ضغط الجدار وقياس جسيمات الصورة. يتم الحصول على قياسات الضغط غير المستقرة باستخدام محول ضغط المسح الضوئي لقناة ستة عشر مع مستشعرات الضغط الزوهرية. أجهزة استشعار الضغط لديها استجابة تردد 670 هرتز. صنابير الضغط الثابت التي شكلت من الأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ هي تدفق محمولة المنبع والمصب من نموذج بوليب أضعاف الصوتية لتسهيل قياسات الضغط السطحي وقصيرة السباكة إلى جهاز ضغط المسح الضوئي. لا يمكن الحصول على تصور تدفق النفط وقياسات الضغط السطحي في وقت واحد لأن النفط سوف يتدفق إلى صنابير الضغط مما يسبب القاذورات.

يوفر القسم التالي البروتوكول لإعداد والحصول على تصور فيلم النفط وقياسات الضغط السطحي حول جدار مثبت في نصف الكرة الأرضية. على الرغم من أن يتم الحصول على قياسات قياس معدل الجسيمات في المتوسط والوقت الذي تم حله، إلا أن اكتساب PIV غير مدرج في هذا البروتوكول. يقترح المؤلفون إشارات رافيل وآخرين. 36 وأدريان وWesterweel39 لفهم متعمق للإعداد التجريبي PIV ، والحصول على البيانات ، ومعالجة البيانات.

1. توليد Protuberance(أي نموذج بوليب)

  1. بناء نموذج ثلاثي الأبعاد بمساعدة الكمبيوتر (CAD) مع الهندسة المطلوبة. توليد نموذج بوليب أضعاف الصوتية كما نصف الكرة الأرضية prolate قياس 5.08 سم طويلة, 2.54 سم واسعة, و 1.27 سم طويل القامة. جبل قاعدة 2.54 سم مربع التي هي 0.64 سم سميكة إلى الجزء السفلي من نموذج بوليب أضعاف الصوتية. سيتم استخدام هذه القاعدة لترسيخ النموذج إلى أرضية قسم الاختبار.
  2. تصدير نموذج CAD ثلاثي الأبعاد كملف التصوير المجسم (STL). تنسيق ملف STL بإنشاء سطح النموذج كسلسلة من المثلثات. اختر دقة كافية لضمان سطح أملس على جهاز البوليب النموذجي. يوصى بحل ما لا يقل عن 600 نقطة/بوصة.
  3. تحميل ملف STL في البرنامج المناسب وطباعة ملف STL باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة أو prototyper السريع مع دقة طبقة بناء على الأقل 20 ميكرومتر.
  4. يبلغ قسم اختبار نفق الرياح حوالي 30.48 سم × 30.48 سم × 121.92 سم مع لوحة سفلي قابلة للإزالة كما هو موضح في الشكل 1. مطحنة حفرة مربعة 2.54 سم حوالي 0.85 سم في عمق نفق الرياح اختبار الكلمة لوحة قابلة للإزالة لتركيب نموذج بوليب أضعاف الصوتية للاختبار. يجب أن يكون الثقب موجودا في وسط عرض قسم الاختبار وأن يكون موجودا في الموقع النهائي المطلوب للاختبار.

2. النفط تدفق التصور إعداد

  1. من أجل إعداد قسم الاختبار، قم بتغطية سطح قسم الاختبار داخل نفق الرياح بورق لاصق أبيض. ضع بعناية وسلس ورقة لاصقة لضمان أن الكلمة قسم الاختبار لا يوجد لديه المطبات بسبب فقاعات الهواء أو التجاعيد في ورقة لاصقة. قطع ثقب في ورقة لاصقة فوق ثقب مربع في الطابق قسم الاختبار لمرساة البوليب نموذج لإرفاق جدار قسم الاختبار.
  2. إدراج protuberance (نموذج بوليب أضعاف الصوتية) في موقف مرساة للتحضير للاختبار. انظر الشكل 1.
  3. قم بتركيب كاميرا عالية الدقة فوق قسم اختبار نفق الرياح. ركز الكاميرا على مجال الرؤية المختار بما في ذلك نموذج البوليب ومنطقة قسم الاختبار المحيطة. تعيين معلمات اقتناء الكاميرا للاختبار. يجب استخدام إعداد الفيديو لالتقاط الجزء العابر من تصور تدفق الزيت أو إذا كانت التدفقات غير المستقرة أو النابضة ذات أهمية.
  4. إعداد تدفق التصور خليط النفط عن طريق الجمع بين زيت الطفل، مسحوق الحبر نسخة، والكيروسين في نسبة 7:1:2 من حيث الحجم. على سبيل المثال: الجمع بين 35 مل زيت الطفل، 5 مل مسحوق الحبر نسخة، و 10 مل الكيروسين. يخلط زيت الطفل ومسحوق الحبر معا في وعاء ويحرك حتى يذوب الحبر تماما. ثم يضاف الكيروسين ويخلط جيدا.
  5. نقل الخليط إلى زجاجة رذاذ لسهولة تطبيقها على سطح قسم الاختبار.

3. قياسات التصور تدفق النفط

  1. تنظيف وتجفيف سطح قسم الاختبار قبل كل تطبيق من خليط الزيت.
  2. استخدم زجاجة الرش المملوءة بخليط الزيت لرش طبقة رقيقة، وحتى طبقة من السوائل فوق الجزء المثير للاهتمام. طبقة رقيقة، حتى خليط النفط مهم لإنتاج صور التصور النفط الفيلم السليم.
  3. بدء الحصول على الصورة أو الفيديو على الكاميرا. ابدأ عملية اقتناء الكاميرا قبل تشغيل نفق الرياح من أجل التقاط حركة خليط الزيت العابرة الأولية.
  4. تعيين نفق الرياح الشفط إلى السرعة المطلوبة. سيبدأ خليط الزيت في التدفق على طول سطح قسم الاختبار.
  5. بمجرد توقف تدفق خليط الزيت ووصوله إلى حالة ثابتة(أي أن الأنماط ثابتة) ، أو عندما ينقضي الوقت المطلوب ، أوقف تسجيل الكاميرا وطاقة نفق الرياح.
    ملاحظة: يعرض الفيديو 1 خليط الزيت المتدفق حتى يتم الوصول إلى حالة ثابتة ويصبح نمط احتكاك الجلد ثابتا. في الفيديو يتحرك التدفق من اليسار إلى اليمين.

4. إعداد قياس ضغط السطح

  1. إعداد سطح الطابق قسم الاختبار (لوحة قابلة للإزالة) عن طريق حفر ثقوب لتركيب الأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ (0.16 سم القطر الخارجي و 2.54 سم طويلة) في الطابق قسم الاختبار لبناء صنابير الضغط ثابت. بدءا من خط الوسط لموضع المرساة في نصف الكرة الأرضية البرولاتي، حفر الثقوب على الشبكة التي تمتد 8.89 سم في اتجاه spanwise و 22.86 سم المصب مع 1.27 سم تباعد الشبكة سبانوايز و 2.54 سم تباعد الشبكة المصب (انظر الشكل 1). الأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ لديها انتفاخ على طرف واحد لإرفاق أنابيب مرنة ومباشرة على الطرف الآخر لتركيب.
    ملاحظة: يمكن وضع صنابير الضغط الثابتة على فترات أقرب للحصول على شبكة أفضل من مواقع اكتساب الضغط.
  2. جبل الأنابيب المحيطة موقف مرساة من الجدار شنت الفي نصف الكرة الأرضية prolate(أي نموذج بوليب أضعاف الصوتية) في التكوين المطلوب على أرضية قسم الاختبار للتحضير للاختبار. يجب تركيب الأنابيب مع أرضية قسم الاختبار.
  3. إرفاق قطعة من أنابيب مرنة قصيرة (6.35 سم طول, 0.159 سم القطر الداخلي, 0.475 سم القطر الخارجي أنابيب كلوريد البولي فينيل واضحة) من الأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ شنت إلى منافذ قياس محول ضغط المسح الضوئي. محول ضغط المسح يحتوي على ستة عشر منفذ ضغط.

5. اكتساب قياس ضغط السطح

  1. قم بتوصيل محول ضغط المسح الضوئي بجهاز كمبيوتر وتكوين معلمات الامتلاك باستخدام برنامج محول ضغط المسح الضوئي. تعيين برنامج الاستحواذ للحصول على البيانات عند 500 هرتز للمدة المرغوبة من الحصول على البيانات.
    ملاحظة: تم الحصول على البيانات بمعدل أخذ العينات الأقصى لمحول ضغط المسح الضوئي، 500 هرتز، بسبب اختلافات الضغط الصغيرة عند ترددات التذبذب المنخفضة.
  2. تعيين نفق الرياح الشفط إلى السرعة المطلوبة.
  3. بدء اكتساب قياس الضغط. يمكن الحصول على قياسات الضغط في وقت واحد مع أي تقنية تشخيص التدفق المطلوب (على سبيل المثال PIV ، الليزر دوبلر شقائق النعمان ، قياس الأناموميتريا الأسلاك الساخنة ، الخ)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وقد أظهرت الأعمال السابقة باستخدام 7.5 مرات زيادة نموذج أضعاف الصوتية مدفوعة ديناميكيا أن وجود protuberance هندسية، نموذج بوليب أضعاف الصوتية، يعطل الديناميات العادية للطائرة glottal طوال دورة الصوتية. يتم عرض النتائج التمثيلية من دراسة نموذج أضعاف الصوتية مدفوعة السابقة في الشكل 2 والفيديو 2. يظهر الفيديو حركة الطيات الصوتية المدفوعة أثناء تغيرها من هندسة متقاربة إلى هندسة متباينة. وكانت مدفوعة نماذج أضعاف الصوتية ديناميكيا في 1.67 هرتز مع عدد رينولدز من 995 وعدد Strouhal من 1.9 × 10-2. تم الحصول على البيانات في الطائرة اجتياز 7.5 مم المصب من polyp باستخدام متوسط المرحلة صورة الجسيمات velocimetry14. كما تبدأ طيات الصوتية لفتح، يتم تشكيل قناة متقاربة ويتم تطوير الانحدار ضغط مواتية. يبدأ التدفق في الدوران حول نموذج البوليب قرب نهاية المرحلة الافتتاحية ، عندما يكون glottis في أقصى عرض والطيات الصوتية في تكوين مواز ، وإلى المرحلة الختامية. يتم تشكيل اثنين من دوامة دوارة مضادة كما هو مبين في الشكلين 2b و 2c. كما طيات الصوتية إغلاق، يتم فرض تدفق حول ورم وبعيدا عن خط الوسط الأمامي الخلفي. العمل الجاري هو تحقيق في تأثير نصف الكرة الأرضية المثبتة على الحائط في كل من ظروف التدفق العرضي الثابتة والنبضية دون التعقيدات المضافة للطيات الصوتية الفسيولوجية. وقد تم الحصول على النتائج الأولية لنسبة العرض إلى الارتفاع 2:1 prolate نصف الكرة الأرضية; يتم عرض تخطيطي لقسم الاختبار التجريبي في الشكل 1. تم اختبار نموذج البوليب في ظل ظروف تدفق ثابت في أعداد رينولدز تتراوح بين 6000-9000؛ يتم عرض نتائج التصور تدفق النفط في الشكلين 3 و 4. الشكل 3 يقدم وجهة نظر متساوي القياس من نموذج بوليب في ظل ظروف ثابتة مع تدفق تتحرك من اليسار إلى اليمين. خط النفط المركزة المنبع من بوليب (إلى يسار من polyp) وعلى سطح polyp عرض خطوط الفصل. منطقة النفط المركزة الكبيرة فقط المصب (إلى اليمين) من polyp يقدم دوامة تركيز العقد التي هي نقاط المرفق لاثنين من أنابيب دوامة مكافحة الدورية التي تشكل الساقين من دوامة دبوس الشعر المصب. يعرض الشكل 4 طريقة عرض علوية لنموذج متعدد الأضلاع في تدفق متقاطع مع انتقال التدفق من أعلى إلى أسفل عند رقم رينولدز 9000. عقدة المرفق مرئية المصب (أدناه) نموذج بوليب أضعاف الصوتية. تؤكد نتائج التصور لتدفق النفط لظروف التدفق المطرد تشكيل نظام دوامة حدوة الحصان في المنبع من دوامة البوليب النموذجية ودوامة دبوس الشعر في المصب من البروبرانس كما هو موضح مع الأجسام الأخرى المثبتة على الحائط18،24،29،40.

ظروف التدفق غير المستقرة ، مع عدد رينولدز (على أساس متوسط السرعة من 7.01 م / ثانية) من 6300 وعدد Strouhal من 1.2 × 10-3، يؤدي إلى اختلافات الضغط المكاني والزمني. ويتذبذب التدفق غير المستقر ± 2.29 م/ثانية بتردد 0.6 هرتز. يشير الخط الأحمر (الموجود في الموضع رقم 3) إلى موقع أدنى ضغط في منطقة التدفق الخلفي مباشرة في اتجاه المصب من البوليب. ووجد أن قيم محول الضغط الفردي تتغير طوال الدورة، وتباين فرق الضغط بين مواقع محولات الترجامات كدالة لموقع الدورة وبالتالي متوسط السرعة.

Figure 1
الشكل 1 - الأرقام 1- الأرقام 1 الرياح نفق اختبار قسم التخطيطي. أ.) مقطع الاختبار الكامل هو موضح مع مدخل التدفق على اليسار والمأخذ على اليمين. ب.) تخطيطي عن قرب للوحة أرضية قسم الاختبار القابلة للإزالة مع جدار نسبة عرض إلى ارتفاع 2:1 مثبت على نصف الكرة الأرضية. انقر هنا لعرض صورة أكبر.

Figure 2
الشكل 2 - الأرقام 2- الأرقام التي تم حقول السرعة المصب من نموذج بوليب أضعاف الصوتية التي شنت على سطح وسيط من 7.5 مرات تحجيم متابعة نموذج أضعاف الصوتية مدفوعة. أ.) نموذج أضعاف الصوتية مدفوعة ديناميكيا التخطيطي عرض اتجاه تدفق تيار حر. ب.) و ج.) حقول السرعة العرضية في اثنين من لحظة خلال دورة الصوتية في الطائرة y-z في x = 7.5 مم المصب من نموذج بوليب محمولة على سطح وسيط. يتم رسم حقول السرعة كمؤامرات متجهة من سرعة حجم14. انقر هنا لعرض صورة أكبر.

Figure 3
الشكل 3 - الأرقام 3- الأرقام التي يمكن أن عرض متساوي القياس من نصف الكرة الأرضية prolate محمولة على الحائط(أي نموذج بوليب أضعاف الصوتية) في تدفق الصليب (إعادة = 9000). يتم عرض خط فصل المنبع الأساسي كخط داكن أعلى التيار (إلى اليسار) من polyp. توجد عقدتان لتركيز الدوامة في أعقاب الجدار الذي تم تركيبه على نصف الكرة الأرضية. انقر هنا لعرض صورة أكبر.

Figure 4
الشكل 4 - الأرقام 4- الأرقام التي تم ال صورة تصور تدفق الزيت ل نصف كروي بروز في التدفق العرضي (Re=9,000). تتلاقى الخطوط الداكنة الممتدة من أسفل مجرى النهر من جانبي البوليب (التي تمثل الحدود الخارجية للاستيقاظ) حتى نقطة المرفق، بسبب دوامة إعادة التدوير خلف الكائن. يتم تحديد مواقع خط الفصل الأولي في المنبع وخط فصل نصف الكرة الأرضية وعقد تركيز الدوامة وعقدة مرفق المصب. انقر هنا لعرض صورة أكبر.

Figure 5
الشكل 5 - الأرقام 5- الأرقام التي تم قياسات ضغط المنبع والمصب لدورة واحدة من التدفق غير المستقر في عدد رينولدز على أساس متوسط السرعة من 6300 وعدد Strouhal من 1.2 × 10-3 على جدار محمولة على نصف الكرة الأرضية. ولوحظت اختلافات في الضغط المكاني والزمني بين محولات الضغط المقاسة. انقر هنا لعرض صورة أكبر.

انقر هنا لعرض الفيديو 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.

انقر هنا لعرض الفيديو 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

فهم تشكيل وانتشار الهياكل vortical من protuberance هندسية وتأثيرها اللاحق على التحميلات الهوائية التي تدفع ديناميات أضعاف الصوتية، أمر ضروري لتوفير البصيرة والنماذج من أجل النهوض بمعالجة الاورام الحميدة أضعاف الصوتية والعقيدات. ومن المتوقع أن الاختلافات في التحميلات الهوائية الناجمة عن نموذج بوليب في هذه التجربة للمساهمة في ديناميات أضعاف الصوتية غير النظامية لوحظ في المرضى الذين يعانون من الاورام الحميدة1341. ويشمل العمل المستقبلي التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد في ظروف التدفق غير المستقرة باستخدام قياس معدل جسيمات الصورة وربط النتائج بتصور تدفق السطح وبيانات الضغط السطحي.

تصور تدفق النفط هو تقنية مفيدة وفعالة لتحديد السمات الطوبولوجية السطحية مثل خطوط الاحتكاك الجلد والمناطق عالية ومنخفضة السرعة. تصنيف خطوط الفصل أو المرفقات والعقد من تصور تدفق السطح هو خطوة هامة في بناء الخرائط الطوبولوجية ، وتسمى أحيانا الهياكل العظمية دوامة ، من مناطق الفصل والتعلق من التدفقات ثلاثية الأبعاد المعقدة على أساس نظرية النقطة الحرجة24،40،42. وبما أن تصور تدفق النفط هو في المقام الأول قياس نوعي، فمن الضروري أن تقترن النتائج النوعية من تصور تدفق النفط بالنتائج الكمية من ضغط السطح وقياسات PIV. إن تطوير خريطة طوبولوجية مفيد في فهم وتحديد هياكل التدفق ثلاثية الأبعاد وربط نتائج تصور تدفق النفط بنتائج قياس PIV.

وتشمل القيود المفروضة على تقنية تصور تدفق النفط عدم القدرة على الحصول على بيانات مرئية متزامنة لتدفق النفط مع قياس ضغط السطح أو بيانات قياس مسار صورة الجسيمات، وقدرة التقنية المحدودة على تتبع عدم الثبات والحركة في موقع النقاط الحرجة الناجمة عن التدفقات غير المستقرة. يعتمد خليط التصور الأمثل لتدفق الزيت على المعلمات الخاصة بالتجربة لضبط لزوجة الخليط وتوتر سطحه استنادا إلى سرعة الاختبار ، والمشكلة التي سيتم التحقيق فيها ، وخصائص سطح الاختبار. من المهم أن يبدأ خليط الزيت في التدفق بالسرعة المطلوبة ، وأنه بعد فترة زمنية معقولة ، يجب أن يكون السطح جافا نسبيا مع بقاء نمط السطح المتتالي. الرجوع إلى Merzkirch26 للحصول على قائمة من الزيوت المرشحة والأصباغ لاستخدامها في ظروف مختلفة. خليط غير صحيح، استنادا إلى المعلمات التجريبية المحددة، قد يؤدي إما إلى الكثير من الصباغ المودعة على الأرض السطحية، والتي لا تؤدي إلى خطوط واضحة، أو لا يكفي الصباغ المودعة التي لا تؤدي إلى نمط يشبه خط على الإطلاق. عند تطبيق الخليط على أرضية قسم الاختبار ، وجد المؤلفون أنه من الأفضل رش الخليط بدلا من طلاء الخليط على السطح ، وهي طريقة استخدمها محققون آخرون. أدى طلاء الخليط على السطح إلى خطوط إضافية بسبب التطبيق.

في هذا العمل، يتم تنفيذ تقنية التصور النفط فيلم السطح في ظروف تدفق ثابت(فيديو 1). عادة ما تؤدي ظروف اختبار التدفق المطرد إلى صور واضحة للغاية بسبب الهياكل الدائمة في التدفق. ومع ذلك ، يتم أيضا تنفيذ تصور فيلم النفط في ظروف تدفق غير مستقر. ويحقق المؤلفان حاليا فيما إذا كان من الممكن الحصول على أي معلومات إضافية من الصور التي تم التقاطها في ظل ظروف تدفق غير مستقرة وصحة هذه التقنية. تنتج ظروف اختبار التدفق غير المستقرة ميزات تدفق تقوي وتضعف طوال دورة تذبذب واحدة. ولهذا السبب، يتم الحصول على صور عالية السرعة لمنطقة التصور الديناميكي للنفط مع تشغيل نفق الرياح ومولدات الطاقة غير المستقرة.

التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد من جدار مثبت نصف الكرة في تدفق غير مستقر وضغوط الجدار الناتجة في أعقاب القريب سوف تحسن بشكل أساسي فهمنا لفصل تدفق ثلاثي الأبعاد غير مستقر. بالإضافة إلى تطبيقات الكلام، هذه التقنية لديها تطبيقات ممكنة في إدارة الكثبان الرملية costal، وتعزيز التدفق الثانوي في تصميم مبادل حراري، نقل الكتلة، وطاقة الرياح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

وتدعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم، غرانت رقم CBET-1236351 ومركز GW للكيميائيات الحيوية والهندسة الحيوية (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

الهندسة الحيوية، العدد 84، تصور تدفق الزيت، بوليب أضعاف الصوتية، فصل التدفق ثلاثي الأبعاد، تحميل الضغط الهوائي
التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نموذج بوليب أضعاف الصوتية
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