Summary
Stimmfaltenpolypen können die Stimmfaltendynamik stören und somit verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch einen wandmontierten Modellpolypen induziert wird, und seine Auswirkungen auf die Wanddruckbelastung werden mittels Partikelbild-Velocimetrie, Hautreibungslinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.
Abstract
Der Fluid-Struktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig untersucht, ist aber für pathologische Bedingungen nicht gut verstanden. Polypen und Knötchen, die geometrische Anomalien sind, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden, können die Stimmfaltendynamik stören und können daher verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Unser Labor hat Partikelbild-Velocimetrie -Messungen (PIV) im Rahmen einer Untersuchung eines Modellpolypes gemeldet, der sich auf der medialen Oberfläche eines in vitro angetriebenen Stimmfaltmodells befindet, die zeigen, dass eine solche geometrische Anomalie das Glottalstrahlverhalten erheblich stört. Diese Durchflussfeldanpassung ist ein wahrscheinlicher Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen. Ein vollständigeres Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz, wie z.B. einem Stimmfaltenpolypen, und der daraus resultierende Einfluss auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um die Behandlung dieser pathologischen Erkrankung voranzutreiben. Die vorliegende Untersuchung betrifft die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch ein wandmontiertes Prolate-Hemispheroid mit einem Seitenverhältnis von 2:1 im Querfluss, d.h. einem Modell-Vokalfaltenpolypen, mit einer Öl-Film-Visualisierungstechnik induziert wird. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und deren Auswirkungen der Wanddruckbelastung werden mittels Hautreiblinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.
Introduction
Die Stimmfalten sind zwei Gewebebänder, die sich über die stimmliche Atemwege erstrecken. Stimmsprache wird erzeugt, wenn ein kritischer Lungendruck erreicht wird, der Luft durch adduktisierte Stimmfalten erzwingt. Die Stimmfalten bestehen aus vielen Gewebeschichten und werden oft durch ein vereinfachtes zweilagiges Bodycover-System1dargestellt. Die extrazelluläre Matrix, die den Großteil der Deckschicht ausmacht, besteht aus Kollagen- und Elastinfasern und bietet nichtlineare Spannungs-Dehnungseigenschaften, die für die richtige Bewegung der Stimmfalten1,2wichtig sind. Aerodynamische Kräfte vermitteln dem Gewebe der Stimmfalten Energie und regen selbstgetragene Schwingungenan 3. Während die Stimmfalten oszillieren, bildet die Öffnung zwischen ihnen, die als Glottis bezeichnet wird, eine zeitlich variierende Öffnung, die von einer konvergenten zu einer Uniform und dann zu einer divergierenden Passage übergeht, bevor sie den Zyklus4,6schließt und wiederholt. Schwingungsfrequenzen für normale Sprache erstrecken sich typischerweise über 100-220 Hz bei Männern bzw. Weibchen, wodurch ein pulsatiles Strömungsfeld entsteht, das durch die Glottis7verläuft. Der Fluidstruktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig8-12untersucht; jedoch ist die Störung dieses Prozesses für einige Pathologien nicht gut verstanden. Pathologische Bedingungen der Stimmfalten können zu dramatischen Veränderungen in ihrer Dynamik führen und die Fähigkeit beeinflussen, gesprochene Sprache zu erzeugen.
Polypen und Knötchen sind geometrische Anomalien, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden. Diese Anomalien können die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten beeinträchtigen13. Dennoch wurde erst vor kurzem die Störung des Strömungsfeldes aufgrund einer geometrischen Protuberanz wie ein Polyp als14betrachtet. Diese Studie zeigte, dass der "normale" Energieaustauschprozess der Flüssigkeitsstruktur drastisch verändert wurde und dass die Veränderung des Strömungsfeldes der wahrscheinlichste Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen und Knötchen war. Es wurde kein umfassendes Verständnis der Strömungsstrukturen durch dreidimensionale Strömungstrennung von einem Polypen im pulsatilen Fluss festgestellt. Die Erzeugung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einem Polypen und deren anschließende Auswirkungen auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist eine notwendige kritische Komponente, um die chirurgische Sanierung von Polypen bei Patienten voranzutreiben.
Während die Strömungstrennung von einem wandmontierten Halbkugeloid im stetigen Fluss15-23untersucht wurde, gibt es überraschenderweise wenig Informationen über eine unbeständige dreidimensionale Strömungstrennung von einem Hemispheroid an einer Wand, die pulsatilen oder unbeständigen Strömungsbedingungen ausgesetzt ist, wie sie in der Sprache zu finden sind. Die bahnbrechende Arbeit von Acarlar und Smith15 lieferte eine Analyse der dreidimensionalen kohärenten Strukturen, die durch stetigen Fluss über ein wandmontiertes Hemispheroid innerhalb einer laminaren Grenzschicht erzeugt werden. Acarlar und Smith identifizierten zwei Arten von vortical Strukturen. Vor der halbkugelförmigen Protuberanz bildete sich ein stehender Hufeisenwirbel, der sich flussabwärts der Protuberanz auf beiden Seiten erstreckte. Zusätzlich wurden Haarnadelwirbel periodisch von der Wand montiert Hemispheroid in die Wache vergossen. Die komplexe Bewegung und das Fortschreiten der Haarnadelwirbel wurde untersucht und detailliert beschrieben.
Der Fluss über einen glatt konturierten axisymmetrischen Hügel wurde zuvor untersucht, in dem sowohl oberflächenstatische Druckmessungen als auch Oberflächenölvisualisierungen an und nach der Beule innerhalb eines turbulenten Scherflusses erfasst wurden. Ölfilmtechniken ermöglichen die Visualisierung von Hautreibungslinien, Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsbereichen sowie Trenn- und Befestigungspunkten innerhalb eines Oberflächenflusses und sind nützlich, um die Nachfuhr eines wandmontierten Objekts zu untersuchen. Für diese Technik wird die Oberfläche von Interesse mit einem dünnen Film aus einer Ölbasis und feinem Pulverpigment(d.h. Lampenschwarz, Graphitpulver oder Titandioxid) Gemisch beschichtet. Bei den gewünschten Strömungsbedingungen führen Reibungskräfte dazu, dass sich das Öl entlang der Oberfläche bewegt, wodurch sich das Pigmentpulver in Streifen ablagert. Kritische oder Singularitätspunkte, Positionen, an denen die Scherspannung Null oder zwei oder mehr Komponenten der mittleren Geschwindigkeit null ist, können aus dem resultierenden Hautreibungslinienmuster als Sattelpunkte oder Knotenpunkte24-26klassifiziert werden.
Für die Hügelgeometrie wurde keine Durchtrennung verursachte Singularität flussaufwärts gefunden; dies wurde auf die sanft aufsteigende Kontur der Beule zurückgeführt, die nicht den negativen Druckgradienten erzeugte, der bei einer halbkugelförmigen Protuberanz auftritt. Folglich beschleunigte sich der Fluss bis zum Höhepunkt der Beule, nach der sich kurz hinter der Stoßmittellinie unbeständige Sattelfokus-Trennpunkte entwickelten, wie es bei der Bildung eines Haarnadelwirbels27,28zu erwarten wäre. In einer Studie mit ähnlichen experimentellen Techniken mit einer anderen Wandgeometrie zeigte die Ölfilm-Visualisierung um einen oberflächenmontierten Würfel im stetigen Fluss, durchgeführt von Martinuzzi und Tropea29, zwei klare Hautreibungslinien vor dem Objekt. Die erste Hautreibungslinie entsprach der primären Trennlinie, die durch den ungünstigen Druckgradienten verursacht wurde, und die zweite Reibungslinie der Haut markierte die zeitgemittelte Position des Hufeisenwirbels. Oberflächendruckmessungen, die vor dem Objekt durchgeführt wurden, zeigten ein lokales Minimum entlang der Hufeisenwirbellinie und ein lokales Druckmaximum zwischen der primären Trennung und hufeisenwirbellinien. Ähnliche vorgelagerte Trennlinien werden mit anderen oberflächenmontierten Geometrien einschließlich eines Kreisförmigen Zylinders, einer Pyramide und eines Kegels29-31gebildet. Die Oberflächenvisualisierung nach den Wandobjekten zeigt in der Regel zwei Brennpunkte an, die durch den Rezirkulationsbereich hinter dem Objekt30verursacht werden. Zwei Wirbel werden an den Brennpunkten erzeugt und entsprechen dem "Arch-Typ" oder Haarnadelwirbel, der im Gefolge eines wandmontierten Hemispheroids32zu sehen ist.
Partikelbild-Velocimetrie (PIV) wurde bisher verwendet, um den Fluss nachdemzulesen von synthetischen Stimmfaltenmodellen33-35zu untersuchen. PIV ist eine nichtinvasive Visualisierungstechnik, bei der die Bewegung von Tracer-Partikeln innerhalb einer Ebene erfasst wird, um die räumlich-zeitliche Strömungsdynamik zu erfassen36. Dreidimensionale zusammenhängende Strukturen, die sich nach den oszillierenden Stimmfalten bilden, wurden von Neubauer et al. untersucht. 37; Wirbelerzeugung und Konvektion und Jet-Schlag wurden beobachtet. Kürzlich, Krebs et al. 38 untersuchte die Dreidimensionalität des Glottalstrahls mit stereoskopischem PIV und die Ergebnisse zeigen die Glottal-Jet-Achsenschaltung. Erath und Plesniak14 untersuchten die Wirkung eines Modellstimmfaltenpolypes auf die mediale Oberfläche eines 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodells. Unterhalb des Polyp simonierte sich eine Rezirkulationsregion und die Strahldynamik wurde während des gesamten Phonationszyklus beeinflusst. Die bisherigen Studien, mit Ausnahme der getriebenen Vokalfalten-Polyp-Studie von Erath und Plesniak14, haben die Strömungsdynamik, die durch einen medialen Stimmfaltenpolyp oder Knötchen induziert wird, nicht erforscht.
Es ist wichtig, die fluiddynamische Wirkung des Modellpolypes in stetigen und pulsatilen Strömungsfeldern zu verstehen, bevor die zusätzliche Komplexität der stimmlichen Faltwände, induzierte Druckgradienten, begrenztes geometrisches Volumen und andere Feinheiten eingeschlossen werden. Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Signatur der Strömungsstrukturen an der nachgelagerten Wand unter stabilen und unbeständigen Strömungsbedingungen. Die Wechselwirkungen zwischen den vorticalen Strukturen, die aus einem Vorsprung und der nachgeschalteten Wand vergossen werden, sind von großem Interesse für die Untersuchung von Stimmfaltenpolypen sowie anderen biologischen Überlegungen, da diese Wechselwirkungen eine biologische Reaktion auslösen.
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Protocol
In dieser Arbeit wird auf dem Prüfabschnittsboden eines Saugwindkanals mit einem Kontraktionsverhältnis von 5:1 ein an der Wand montiertes Halbkugelideroid, d.h. ein Modell-Stimmfaltenpolyp, positioniert. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und ihre Wirkung auf die Wanddruckbelastung werden mittels Ölflussvisualisierung, Wanddruckmessungen und Partikelbild-Velocimetrie untersucht. Die unbeständigen Druckmessungen werden mit einem 16-Kanal-Scandruckwandler mit piezoresistiven Drucksensoren erfasst. Die Drucksensoren haben einen Frequenzgang von 670 Hz. Statische Druckhähne aus Edelstahlrohren werden bündig vor und nach dem Modell Stimmfaltenpolypen montiert, um die Oberflächendruckmessungen zu erleichtern und kurz auf das Scandruckgerät zu plump. Ölflussvisualisierung und Oberflächendruckmessungen können nicht gleichzeitig erfasst werden, da Öl in die Druckhähne fließen würde, was zu Verschmutzungen führen würde.
Der folgende Abschnitt enthält das Protokoll zum Einrichten und Erfassen von Ölfilm-Visualisierungen und Oberflächendruckmessungen um ein an der Wand montiertes Prolate-Halbhautoid. Obwohl phasengemittelte und zeitaufgelöste Partikelbild-Velocimetriemessungen erfasst werden, ist die PIV-Erfassung in diesem Protokoll nicht enthalten. Die Autoren schlagen die Referenzen von Raffel et al. vor. 36 und Adrian und Westerweel39 für ein tiefes Verständnis von PIV-Experimentalaufbau, Datenerfassung und Datenverarbeitung.
1. Protuberance generieren(d.h. Modell Polyp)
- Erstellen Sie ein dreidimensionales CAD-Modell (Computer-Aided Design) mit der gewünschten Geometrie. Generieren Sie das Modell Vokalfaltenpolyp als prolates Halbkugeloid von 5,08 cm Länge, 2,54 cm Breite und 1,27 cm Höhe. Montieren Sie eine 2,54 cm quadratische Basis, die 0,64 cm dick ist, an der Unterseite des Modells Stimmfalten Polyp. Diese Basis wird verwendet, um das Modell auf dem Prüfabschnittsboden zu verankern.
- Exportieren Sie das 3D-CAD-Modell als Stereolithographiedatei (STL). Das STL-Dateiformat generiert die Modelloberfläche als eine Reihe von Dreiecken. Wählen Sie eine angemessene Auflösung, um eine glatte Oberfläche auf dem Modellpolypen zu gewährleisten. Es wird eine Auflösung von mindestens 600 Punkten/In empfohlen.
- Laden Sie die STL-Datei in die entsprechende Software hoch und drucken Sie die STL-Datei mit einem hochauflösenden dreidimensionalen Drucker oder Rapid Prototyper mit einer Build-Layer-Auflösung von mindestens 20 m.
- Der Windkanal-Testteil ist ca. 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm mit abnehmbarer Bodenplatte, wie in Abbildung 1dargestellt. Fräsen Sie ein 2,54 cm großes quadratisches Loch ca. 0,85 cm tief in den Windkanal-Testabschnitt Boden abnehmbare Platte, um das Modell Vokalfaltenpolyp für die Prüfung zu montieren. Die Bohrung sollte sich in der Mitte der Testabschnittsbreite befinden und zur Prüfung an der gewünschten nachgelagerten Stelle befinden.
2. Öl-Flow-Visualisierungsvorbereitung
- Um den Prüfabschnitt vorzubereiten, bedecken Sie die Prüfabschnittsoberfläche im Inneren des Windkanals mit weißem Klebepapier. Das Klebepapier vorsichtig auflegen und glätten, um sicherzustellen, dass der Prüfabschnittsboden keine Beulen aufgrund von Luftblasen oder Falten im Klebepapier hat. Schneiden Sie ein Loch im Klebepapier über dem quadratischen Loch im Testabschnittsboden für den Modell-Polyp-Anker, der an der Testabschnittswand befestigt werden soll.
- Setzen Sie die Protuberance (Modell-Gesangsfaltenpolyp) in die Ankerposition ein, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Siehe Abbildung 1.
- Montieren Sie eine hochauflösende Kamera über dem Windkanal-Testabschnitt. Fokussieren Sie die Kamera für das gewählte Sichtfeld einschließlich des Modellpolypes und des umgebenden Testabschnittsbereichs. Legen Sie die Kameraerfassungsparameter für Tests fest. Eine Videoeinstellung sollte verwendet werden, um den transienten Teil der Ölflussvisualisierung zu erfassen oder wenn unbeständige oder pulsatile Ströme von Interesse sind.
- Bereiten Sie das Flow-Visualisierungsöl-Gemisch vor, indem Sie Babyöl, Kopiertonerpulver und Kerosin im Verhältnis 7:1:2 nach Volumen kombinieren. Zum Beispiel: 35 ml Babyöl, 5 ml Tonerpulver und 10 ml Kerosin kombinieren. Babyöl und Tonerpulver in einem Behälter vermischen und rühren, bis der Toner vollständig aufgelöst ist. Dann das Kerosin hinzufügen und gut mischen.
- Übertragen Sie das Gemisch in eine Sprühflasche, um sie einfach auf die Testabschnittsoberfläche zu tragen.
3. Öl-Flow-Visualisierungsmessungen
- Reinigen und trocknen Sie die Prüfabschnittsoberfläche vor jeder Anwendung des Ölgemisches.
- Verwenden Sie die mit dem Ölgemisch gefüllte Sprühflasche, um eine dünne, gleichmäßige Flüssigkeitsschicht über den Bereich des Interesses zu sprühen. Eine dünne, gleichmäßige Ölgemischschicht ist wichtig, um richtige Ölfilm-Visualisierungsbilder zu erzeugen.
- Initiieren Sie die Bild- oder Videoaufnahme auf der Kamera. Beginnen Sie die Kameraaufnahme, bevor der Windkanal eingeschaltet wird, um die anfängliche transiente Ölgemischbewegung zu erfassen.
- Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein. Das Ölgemisch beginnt entlang der Testabschnittsoberfläche zu fließen.
- Sobald das Ölgemisch nicht mehr fließt und einen stabilen Zustand erreicht hat(d.h. die Muster sind stationär), oder wenn die gewünschte Zeit verstrichen ist, stoppen Sie die Kameraaufnahme und schalten Sie den Windkanal herunter.
Hinweis: Video 1 zeigt das Ölgemisch, das fließt, bis ein stabiler Zustand erreicht ist und das Reibungsmuster der Haut stationär wird. Im Video bewegt sich der Fluss von links nach rechts.
4. Oberflächendruckmessungsvorbereitung
- Bereiten Sie die Bodenfläche des Prüfabschnitts (abnehmbare Platte) durch Bohren von Löchern zur Montage von Edelstahlrohren (0,16 cm Außendurchmesser und 2,54 cm Länge) in den Prüfabschnittsboden vor, um statische Druckhähne zu bauen. Beginnend an der Mittellinie der Ankerposition des prolaten Halbkugeloids, bohren Sie die Löcher auf einem Raster, das 8,89 cm in spanweiser Richtung und 22,86 cm flussabwärts mit 1,27 cm spanweisem Rasterabstand und 2,54 cm nachgeschaltetem Rasterabstand (siehe Abbildung 1) umfasst. Die Edelstahlrohre haben eine Wölbung an einem Ende zum Anbringen flexibler Schläuche und sind gerade am anderen Ende für die Montage.
Hinweis: Die statischen Druckhähne können in engeren Intervallen für ein feineres Raster von Druckerfassungsstellen positioniert werden. - Montieren Sie die Tubulationen um die Ankerposition des wandmontierten Prolaten-Hemispheroids(d.h. Modell-Stimmfaltenpolyp) in der gewünschten Konfiguration auf dem Prüfabschnittsboden, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Die Tubulationen sollten bündig mit dem Prüfabschnittsboden montiert werden.
- Befestigen Sie Stücke von kurzen flexiblen Schläuchen (6,35 cm Länge, 0,159 cm Innendurchmesser, 0,475 cm Außendurchmesser klare Polyvinylchloridrohre) von den montierten Edelstahlrohren an die Messöffnungsports des Scandruckwandlers. Der Scandruckwandler hat sechzehn Druckanschlüsse.
5. Oberflächendruckmessungserfassung
- Schließen Sie den Scandruckwandler an einen Computer an und konfigurieren Sie die Erfassungsparameter mit der Scandruckwandler-Software. Stellen Sie die Erfassungssoftware so ein, dass Daten für die gewünschte Dauer der Datenerfassung auf 500 Hz abgeführt werden.
Hinweis: Aufgrund der geringen Druckschwankungen bei niedrigen Schwingungsfrequenzen wurden Daten mit der maximalen Abtastrate des Scandruckwandlers 500 Hz erfasst. - Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein.
- Beginnen Sie mit der Druckmessungserfassung. Die Druckmessungen können gleichzeitig mit jeder gewünschten Strömungsdiagnostik(z.B. PIV, Laser Doppler-Anemometrie, Heißdraht-Anamometrie, etc.)erfasst werden.
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Representative Results
Frühere Arbeiten mit einem 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodell haben gezeigt, dass das Vorhandensein einer geometrischen Protuberance, Modellstimmfaltenpolypen, die normale Dynamik des Glottalstrahls während des gesamten Phonatorationszyklus stört. Repräsentative Ergebnisse der vorherigen getriebenen Vokalfaltenmodellstudie sind in Abbildung 2 und Video 2dargestellt. Das Video zeigt die Bewegung der angetriebenen Stimmfalten, während sie sich von einer konvergenten zu einer divergierenden Geometrie ändern. Die Vocal Fold Modelle wurden dynamisch mit 1,67 Hz mit einer Reynolds-Zahl von 995 und einer Strouhal-Zahl von 1,9 x 10-2angetrieben. Die Daten wurden in der Traversenebene 7,5 mm flussabwärts des Polyp mit Phasendurchschnitt Partikelbildvelocimetrie14erfasst. Wenn sich die Stimmfalten zu öffnen beginnen, wird ein konvergenter Kanal gebildet und ein günstiger Druckgradient entwickelt. Der Fluss beginnt sich gegen Ende der Öffnungsphase um den Modellpolyp zu drehen, wenn der Glottis die maximale Breite erreicht und die Stimmfalten in einer parallelen Konfiguration und in die Schlussphase einsteigen. Zwei gegenläufige Wirbel werden gebildet, wie in den Abbildungen 2b und 2cdargestellt. Wenn sich der Gesang schließt, wird der Fluss um den Polyp und weg von der vorderen-hinteren Mittellinie erzwungen. Die laufende Arbeit ist eine Untersuchung der Wirkung eines wandmontierten Hemispheroids sowohl bei stetigen als auch pulsatilen Querflussbedingungen ohne die zusätzlichen Komplexitäten der physiologischen Stimmfalten. Vorläufige Ergebnisse wurden für ein 2:1-Seitenverhältnis prolate Hemispheroid gewonnen; ein Schaltplan des experimentellen Testabschnitts wird in Abbildung 1dargestellt. Das Modell Polypen wurde unter konstanten Strömungsbedingungen bei Reynolds-Zahlen von 6.000-9.000 getestet; Die Ergebnisse der Ölfluss-Visualisierung werden in den Abbildungen 3 und 4dargestellt. Abbildung 3 zeigt eine isometrische Ansicht des Modellpolypunter unter stabilen Bedingungen, wobei sich der Fluss von links nach rechts bewegt. Die konzentrierte Ölleitung vor dem Polypen (links vom Polypen) und auf der Oberfläche des Polyp zeigen die Trennlinien an. Die große konzentrierte Ölregion direkt flussabwärts (rechts) des Polyp summiert die Wirbelkonzentrationsknoten, die befestigungspunkte für zwei gegenläufige Wirbelröhren sind, die die Beine des nachgeschalteten Haarwirbels bilden. Abbildung 4 zeigt eine obere Ansicht eines Modellpolypes im Querfluss, wobei sich der Fluss bei einer Reynolds-Zahl von 9.000 von oben nach unten bewegt. Der Befestigungsknoten ist nachdem (unten) dem Modellstimmfaltenpolyp sichtbar. Die Öl-Flow-Visualisierungsergebnisse für die stetigen Strömungsbedingungen bestätigen die Bildung eines Hufeisenwirbelsystems vor dem Modell Polyp und Haarnadelwirbel flussabwärts der Protuberanz, wie bei anderen wandmontierten Objektengezeigt 18,24,29,40.
Unbeständige Strömungsbedingungen mit der Reynolds-Zahl (basierend auf der mittleren Geschwindigkeit von 7,01 m/sec) von 6.300 und einer Strouhal-Zahl von 1,2 x 10-3führen zu räumlichen und zeitlichen Druckschwankungen. Der unbeständige Durchfluss oszilliert ± 2,29 m/sec bei einer Frequenz von 0,6 Hz. Abbildung 5 zeigt die vor- und nachgelagerten Druckmessungen über einen einzigen Oszillatorzyklus hinweg. Die rote Linie (befindet sich an Position 3) zeigt die Stelle des niedrigsten Drucks im Rückflussbereich direkt unterhalb des Polyp an. Es wurde festgestellt, dass sich die einzelnen Druckwandlerwerte im Laufe des Zyklus änderten und die Druckdifferenz zwischen den Wandlerpositionen je nach Zyklusposition variierte und somit die Mittlere Geschwindigkeit bedeutete.
Abbildung 1. Windkanal-Testabschnitt schaltplantisch. a.) Vollständiger Testabschnitt mit dem Durchflusseinlass auf der linken Seite und dem Auslass auf der rechten Seite. geb.) Nahaufnahmeschema der abnehmbaren Testabschnitt Bodenplatte mit einem 2:1 Seitenverhältnis Wand montiert prolate Halbkugeloid. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Abbildung 2. Velocity-Felder nach einem Modell Vokalfaltenpolyp, der auf der medialen Oberfläche eines 7,5-fach skalierten angetriebenen Stimmfaltmodells montiert ist. a.) Dynamisch angetriebenes Stimmfaltenmodellschema, das die Freie-Stream-Flussrichtung anzeigt. geb.) und c.) Quergeschwindigkeitsfelder in zwei Momenten während des Phonatorationszyklus in der y-z-Ebene bei x = 7,5 mm nach dem Vorbild Polyp auf der medialen Oberfläche montiert. Die Geschwindigkeitsfelder werden als Vektordiagramme der Geschwindigkeitsgröße14dargestellt. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Abbildung 3. Isometrische Ansicht eines an der Wand montierten prolaten Hemispheroids(d.h. Modell-Vokalfaltenpolyp) im Querfluss (Re = 9.000). Die primäre Vorstromtrennlinie wird als dunkle Linie vor dem Polypen (links) angezeigt. Zwei Wirbelkonzentrationsknoten befinden sich in der Nähe der Wand montiert prolate Hemispheroid. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Abbildung 4. Öl-Flow-Visualisierungsbild für ein prolates Hemispheroid im Querfluss (Re=9.000). Die dunklen Linien, die sich flussabwärts von den Seiten des Polyps erstrecken (die die äußeren Grenzen des Wake darstellen) konvergieren aufgrund des Rezirkulationswirbels hinter dem Objekt bis zum Befestigungspunkt. Die Positionen der primären Vorstromtrennleitung, der Hemispheroid-Trennlinie, der Wirbelkonzentrationsknoten und des nachgeschalteten Befestigungsknotens werden identifiziert. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Abbildung 5. Vor- und nachgelagerte Druckmessungen eines einzelnen Zyklus unstabiler Strömung bei einer Reynolds-Zahl basierend auf der mittleren Geschwindigkeit von 6.300 und einer Strouhal-Zahl von 1,2 x 10-3 über einer Wand montierten Prolaten-Hemispheroid. Zwischen den gemessenen Druckwandlern wurden räumliche und zeitliche Druckunterschiede beobachtet. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Klicken Sie hier, um Video 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmvanzuzeigen.
Klicken Sie hier, um Video 2: Stewart_JoVE_Video_2.avizu sehen.
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Discussion
Das Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz und deren anschließende Wirkung auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um Einblicke und Modelle zu liefern, um die Behandlung von Stimmfaltenpolypen und Knötchen voranzutreiben. Die Variationen der aerodynamischen Belastungen, die durch das Modell Polypen in diesem Experiment verursacht werden, dürften zu einer unregelmäßigen Stimmfaltendynamik beitragen, die bei Patienten mit Polypen beobachtet wird13,41. Zukünftige Arbeiten umfassen die Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung unter unbeständigen Strömungsbedingungen mittels Partikelbild-Velocimetrie und die Korrelation der Ergebnisse mit Oberflächenflussvisualisierung und Oberflächendruckdaten.
Die Ölflussvisualisierung ist eine nützliche und effektive Technik zur Identifizierung von oberflächentopologischen Merkmalen wie Hautreibungslinien und Regionen mit hoher und niedriger Geschwindigkeit. Die Klassifizierung von Trenn- oder Befestigungslinien und Knoten aus der Oberflächenflussvisualisierung ist ein wichtiger Schritt bei der Erstellung topologischer Karten, manchmal auch Wirbelskelette genannt, der Trenn- und Befestigungsbereiche komplexer dreidimensionaler Strömungen auf der Grundlage der Kritischen Punkttheorie24,40,42. Da die Ölflussvisualisierung in erster Linie eine qualitative Messung ist, ist es wichtig, dass die qualitativen Ergebnisse der Öl-Flow-Visualisierung mit den quantitativen Ergebnissen aus den Oberflächendruck- und PIV-Messungen gepaart werden. Die Entwicklung einer topologischen Karte ist hilfreich, um die dreidimensionalen Strömungsstrukturen zu verstehen und zu identifizieren und die Ergebnisse der Öl-Flow-Visualisierung mit den PIV-Messergebnissen zu verknüpfen.
Zu den Einschränkungen der Öl-Flow-Visualisierungstechnik gehören die Unfähigkeit, gleichzeitige Ölfluss-Visualisierungsdaten mit Oberflächendruckmessungen oder Partikelbild-Velocimetriedaten zu erfassen, und die begrenzte Fähigkeit der Technik, Unbeständigkeit und Bewegung an der Position kritischer Punkte zu verfolgen, die durch unbeständige Strömungen verursacht werden. Das optimale Öl-Flow-Visualisierungsgemisch hängt von experimentierspezifischen Parametern ab, um die Viskosität und Oberflächenspannung des Gemischs basierend auf der Prüfgeschwindigkeit, dem zu untersuchenden Problem und den Prüfoberflächeneigenschaften anzupassen. Es ist wichtig, dass das Ölgemisch mit der gewünschten Geschwindigkeit zu fließen beginnt und dass die Oberfläche nach einer angemessenen Zeit relativ trocken sein sollte, wobei das gestreifte Oberflächenmuster verbleibt. Eine Liste der Kandidatenöle und Pigmente, die für verschiedene Bedingungen verwendet werden können, finden Sie unter Merzkirch26. Eine falsche Mischung, basierend auf den spezifischen experimentellen Parametern, kann entweder zu viel Pigment auf dem Oberflächenboden abgelagert, was nicht zu klaren Streifen führt, oder nicht genug Pigment abgelagert, was überhaupt nicht zu einem Streifen-ähnlichen Muster führt. Beim Auftragen der Mischung auf den Testabschnittboden fanden die Autoren es am besten, die Mischung zu sprühen, anstatt das Gemisch auf die Oberfläche zu malen, eine Methode, die andere Forscher verwendet haben. Das Aufmalen der Mischung auf die Oberfläche führte aufgrund der Anwendung zu zusätzlichen Streifenlinien.
In dieser Arbeit wird die Oberflächen-Öl-Film-Visualisierungstechnik unter stetigen Strömungsbedingungen implementiert (Video 1). Die stabilen Strömungsprüfbedingungen führen in der Regel aufgrund von stehenden Strukturen im Fluss zu extrem klaren Bildern. Die Ölfilmvisualisierung wird jedoch auch unter unbeständigen Strömungsbedingungen durchgeführt. Die Autoren untersuchen derzeit, ob zusätzliche Informationen aus Bildern gewonnen werden können, die unter unbeständigen Strömungsbedingungen aufgenommen wurden, und die Gültigkeit dieser Technik. Die unbeständigen Strömungsprüfbedingungen erzeugen Strömungseigenschaften, die sich während eines einzelnen Schwingungszyklus verstärken und schwächen. Aus diesem Grund werden Hochgeschwindigkeitsbilder der dynamischen Ölvisualisierungsregion erfasst, da der Windkanal und die Unsteadiness-Generatoren in Betrieb sind.
Die Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung von einem wandmontierten Halbkugeloid in unbeständiger Strömung und der daraus resultierenden Wanddrücke in der Nahen Spur wird unser Verständnis der unbeständigen dreidimensionalen Strömungstrennung grundlegend verbessern. Neben Sprachanwendungen bietet diese Technik einsatzmögliche Anwendungen im Management von Sanddünen, der Verbesserung des Sekundärflusses in der Wärmetauscher-Design, Massenübertragung und Windenergie.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wird von der National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 und GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rapid Prototyper | Objet | Objet24 | Tray Size (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm Build layer thickness = 28 µm Accuracy = 0.1 mm Build Resolution: X-axis: 600 dpi, Y-axis: 600 dpi, Z-axis: 900 dpi |
| Rapid Prototyper Model Material | Objet | VeroWhite Plus Fullcure 835 | |
| Rapid Prototyper Support Material | Objet | FullCure 705 Support | |
| Copy Toner | Xerox | ||
| Kerosene | Sunnyside | ||
| Baby Oil | Johnson's | ||
| Adhesive Paper | Con-Tact Brand | White adhesive covering | |
| Tygon Tubing | Tygon | PVC Tubing | 1/16 in ID, 3/16 in OD |
| Pressure Scanner (16 channel) | Scanivalve | DSA3217 | Used for gas pressure measurements Pressure range = ±5 in H2O Full scale accuracy = ±0.3% full scale accuracy. Maximum scan rate = 500 Hz/channel |
| Stainless Steel Tubulations | Scanivalve | TUBN-063-1.0 | 0.063 in Diameter and 1 in Length |
References
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