La misurazione della pressione instabile superficie utilizzando una sonda microfono remoto
3 dicembre 2016
Qui, presentiamo un protocollo per misurare, con alta risoluzione spaziale, la pressione superficiale instabile nei flussi turbolenti. Questo metodo dimostra la costruzione di una sonda microfonica remota (RMP) e la determinazione della sua complessa funzione di trasferimento dipendente dalla frequenza. Viene presentata e convalidata una determinazione analitica della risposta dinamica.
L'obiettivo generale di questo metodo sperimentale è quello di eseguire misure ad alta risoluzione spaziale delle fluttuazioni di pressione indotte dalla turbolenza sulle superfici dei corpi immersi nei flussi di fluidi. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della fluidodinamica, dell'aeroacustica e delle vibrazioni strutturali indotte dal flusso, come le caratteristiche spaziali e temporali della pressione superficiale instabile indotta da moti turbolenti con scale di piccola lunghezza. La sonda microfonica remota può fornire informazioni dettagliate sulle caratteristiche dei campi di pressione superficiale instabili, con una risoluzione spaziale relativamente elevata su un'ampia gamma di frequenze.
Preparati per gli esperimenti costruendo la sonda microfonica remota. Ciò richiede diversi componenti. Il principale tra questi è un piccolo microfono sensibile alle frequenze di interesse.
La dimensione dei componenti rimanenti dipende dalla sensibilità desiderata e dalla risposta in frequenza della sonda. Questa sonda utilizza un pezzo di tubo in acciaio inossidabile con un diametro interno di mezzo millimetro. Richiede anche un lungo pezzo di tubo morbido, con un diametro interno di 1,25 millimetri.
Un pezzo di plexiglass tagliato e forato su misura fungerà da supporto per il microfono. Su un lato della culla, c'è un foro per accogliere il tubo in acciaio inossidabile. All'estremità opposta della culla, c'è un altro foro.
Si trova lungo lo stesso asse e ospita il tubo morbido. Questi due fori sono collegati attraverso il plexiglass. Sulla parte superiore ci sono due fori concentrici.
Il foro esterno più grande terrà il microfono. Il foro interno più piccolo accede alla cavità. Questa sezione trasversale fornisce una guida per la costruzione della culla.
Si noti che la conicità necessaria per abbinare i diametri dei fori laterali si trova vicino all'ingresso del tubo in acciaio inossidabile. Tenere a portata di mano la resina epossidica per fissare i componenti alla base. Prendi il microfono e orientalo con il diaframma rivolto verso la base e posizionalo nella sua posizione.
Quando è in posizione, applicare la resina epossidica per fissarlo in posizione. Quindi, inserire il tubo di acciaio inossidabile nell'apposita apertura prima di fissarlo con resina epossidica. Fissare il tubo morbido nella sua posizione allo stesso modo.
All'altra estremità del tubo morbido, utilizzare un tappo per sigillare il tubo. Con tutti gli elementi collegati alla culla, questa sonda è pronta per essere utilizzata in un esperimento. Quindi, rivolgi l'attenzione alla superficie del modello per l'esperimento.
Questa dimostrazione utilizza una piastra piana con punti di misurazione preparati. In un punto di misurazione, dovrebbe esserci un foro passante perpendicolare alla superficie. Il foro deve avere il diametro esterno del tubo in acciaio inossidabile nella sonda.
Per l'esperimento, montare la superficie del modello nella galleria del vento. Quindi, procurati una sonda microfonica da attaccare alla superficie del modello in corrispondenza del foro di misurazione. Dalla parte posteriore della superficie, infilare il tubo in acciaio inossidabile della sonda del microfono nel foro.
L'apertura del tubo deve essere a filo con la superficie di misurazione. Applicare la resina epossidica sul lato opposto al sito di misurazione per fissare il tubo in posizione. Con la sonda del microfono in posizione, circondarla con schiuma acustica per evitare che il rumore parassita contamini il sistema.
Quindi, lavorare con il tubo anecoico morbido della sonda. Spostare l'estremità chiusa fuori dalla sezione di prova della galleria del vento. Circondalo con pannelli acustici per isolarlo dall'ambiente circostante.
Tornando alla sonda, collegare il microfono agli ingressi di un amplificatore a basso rumore, che si trova al di fuori della sezione tecnologica della galleria del vento. Quindi, passa all'elettronica all'esterno del tunnel. L'amplificatore a basso rumore è collegato al sistema di acquisizione dati.
Impostare il guadagno dell'amplificatore su dieci. La calibrazione della sonda del microfono remoto richiede diverse apparecchiature. Per la prima fase, utilizzare un microfono di riferimento di alta qualità con risposta indipendente dalla frequenza, insieme al telefono a pistone.
Inoltre, dovrebbe esserci un amplificatore con la sua uscita collegata al sistema di acquisizione dati. Collegare il microfono all'ingresso dell'amplificatore e impostare l'ingresso e il guadagno di uscita su dieci decibel. Quindi, prendi il telefono a pistone.
Inserire il microfono nel telefono a pistone per la misurazione. Quando sei pronto, accendi il telefono a pistone. Passare al sistema di acquisizione dati per impostare la frequenza di acquisizione dei dati e il numero di campioni.
Iniziare ad acquisire e salvare la tensione dal microfono di riferimento per calcolare la costante di calibrazione. Una volta determinata la costante di calibrazione, rimuovere il microfono dal telefono a pistone. Ora, sposta il microfono sulla superficie del modello, usa un supporto per posizionare il microfono perpendicolarmente alla superficie sopra il tubo della sonda, dove verrà misurata la fluttuazione della pressione.
Allineare il microfono con il centro del rubinetto della sonda e un millimetro sopra di esso. I passaggi successivi richiedono un altoparlante con un amplificatore interno collegato a un generatore di funzioni. Montare l'altoparlante vicino alla superficie del modello e a 2,5 metri dal microfono.
L'altoparlante deve essere spento e il cono deve essere diretto verso la superficie del modello. Al di fuori della galleria del vento, lavora con il generatore di funzioni. Accendilo e usa l'opzione rumore bianco per fornire il segnale acustico.
Torna all'altoparlante e assicurati che l'amplificazione sia al minimo. Quindi, accendi l'altoparlante e regola il volume il più alto possibile senza causare danni. Torna al sistema di acquisizione dati.
Acquisisci e salva i dati delle serie temporali dalle uscite in tensione della sonda e dei microfoni di riferimento. La calibrazione è la fase più critica di questa procedura. Per garantire il successo, utilizzare un modello per prevedere la funzione di trasferimento e confrontarla con i risultati sperimentali.
Inoltre, utilizzare dispositivi di alta qualità, tra cui il microfono di riferimento e l'altoparlante. Si tratta di grafici della coerenza tra le fluttuazioni di pressione misurate nella sonda microfonica remota e il microfono di riferimento in funzione della frequenza. Questo sistema di sonde ha un tubo primario lungo 5,35 centimetri.
Per fare un confronto, questa sonda ha un tubo primario lungo 10,4 centimetri. La coerenza è superiore a 0,97 nell'intervallo di frequenza di interesse. Questi grafici sono dell'entità delle funzioni di trasferimento delle stesse due sonde.
Le curve blu sono i risultati dell'esperimento. Le curve verdi sono previsioni teoriche. Le previsioni della risposta dinamica sono accurate nella maggior parte della gamma di frequenze.
Piccole aberrazioni nella sonda possono spiegare disaccordi alle frequenze medie e alte. Il confronto dei dati e delle previsioni per la pendenza dello spostamento della faccia rivela che le previsioni sono leggermente sovrastimate. Ciò può essere dovuto a piccoli errori nelle misurazioni delle lunghezze dei tubi o a variazioni di temperatura.
In questo grafico, la banda grigio chiaro rappresenta l'intervallo dei precedenti dati degli spettri di pressione superficiale a vari numeri di Reynolds. I punti dati rappresentano le misurazioni effettuate con sonde microfoniche remote. Le misurazioni rientrano nella diffusione delle misurazioni osservate nella letteratura pubblicata.
Una volta padroneggiata, la calibrazione di una singola sonda microfonica remota può essere eseguita in cinque minuti se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ripetere la calibrazione con vari volumi degli altoparlanti per ottenere la massima coerenza per la sonda microfonica remota. Dopo questo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori per esplorare le caratteristiche delle fluttuazioni di pressione su superfici con grande curvatura e spaziatura limitata in condizioni di flusso complesse.
Lavorare con altoparlanti che generano rumore bianco ad alto volume può essere estremamente pericoloso. Non dimenticare le precauzioni, come l'uso di cuffie con silenziamento del rumore durante l'esecuzione di questa procedura. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come costruire, configurare e calibrare una sonda microfonica remota.
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Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la misurazione della pressione superficiale instazionaria in flussi turbolenti con elevata risoluzione spaziale. Il metodo prevede la costruzione di una sonda microfonica remota (RMP) e la determinazione della sua funzione di trasferimento dipendente dalla frequenza.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Dinamica dei fluidi
- Aeroacustica
- Vibrazioni strutturali indotte dal flusso
Sfondo
- Comprendere le fluttuazioni di pressione indotte dalla turbolenza è fondamentale in numerose applicazioni.
- Misurazioni ad alta risoluzione spaziale possono fornire informazioni sul comportamento dei fluidi.
- La sonda microfonica remota è uno strumento chiave per acquisire le caratteristiche dettagliate del campo di pressione.
- Questo metodo affronta le difficoltà nella misurazione di moti turbolenti su piccola scala spaziale.
Scopo dello studio
- Misurare le fluttuazioni di pressione indotte dalla turbolenza su superfici in flussi di fluidi.
- Analizzare le caratteristiche spaziali e temporali della pressione superficiale instazionaria.
- Convalidare la risposta dinamica della sonda microfonica remota.
Metodi Utilizzati
- Costruzione di una sonda microfonica remota mediante microfoni sensibili.
- Misurazione delle fluttuazioni di pressione in flussi turbolenti.
- Determinazione della funzione di trasferimento della sonda dipendente dalla frequenza.
- Validazione analitica della risposta dinamica della sonda.
Risultati principali
- La sonda microfonica remota fornisce misurazioni ad alta risoluzione spaziale.
- Sono state correttamente acquisite le caratteristiche dipendenti dalla frequenza della pressione superficiale instazionaria.
- Il metodo dimostra un'efficace misurazione delle fluttuazioni di pressione indotte dalla turbolenza.
- La validazione della risposta dinamica della sonda è stata ottenuta mediante metodi analitici.
Conclusioni
- Questo protocollo migliora la comprensione dei flussi turbolenti e dei loro effetti sulle superfici.
- La sonda microfonica remota è uno strumento prezioso per i ricercatori in dinamica dei fluidi.
- Applicazioni future potrebbero estendersi a diversi campi che richiedono misurazioni dettagliate della pressione.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo metodo consente misurazioni ad alta risoluzione della pressione superficiale instazionaria in flussi turbolenti, supportando la riduzione dei rischi meccanicistici negli studi di interazione fluido-struttura. Fornisce un'affidabilità predittiva per la valutazione dei carichi aerodinamici e l'analisi delle vibrazioni in sistemi modelli preclinici. La tecnica migliora la continuità traslazionale collegando la dinamica dei fluidi da banco a ambienti fisiologici di flusso.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di schemi di stress emodinamico da taglio rilevanti per la validazione di bersagli vascolari.
- Valore operativo: Permette la valutazione funzionale della risposta endoteliale in condizioni di flusso fisiologicamente rilevanti.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Facilita la preparazione di sistemi validati di flusso su superficie per lo screening di composti in modelli vascolari.
- Valore operativo: Garantisce la standardizzazione del saggio mediante uscite quantificabili di fluttuazioni di pressione su diverse frequenze.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Si allinea ai sistemi rilevanti per le malattie catturando la dinamica della pressione in geometrie stenotiche o aneurismatiche.
- Valore operativo: Permette decisioni di avanzamento basate sulla valutazione del rischio grazie a una mappatura riproducibile della pressione in modelli di flusso preclinici.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nella biologia della scoperta attraverso test di ipotesi emodinamiche e nello screening mediante letture standardizzate delle fluttuazioni di pressione.
- Biologia della scoperta: Supporta la chiarificazione dei percorsi biologici collegando le fluttuazioni di pressione alla segnalazione di meccanotrasduzione in bersagli vascolari.
- Screening: Fornisce output quantitativi, risolti per frequenza, che consentono il confronto degli effetti di composti sulla rigidità o complianza vascolare.
- Analisi: Offre metriche di funzione di trasferimento e coerenza che aiutano i gruppi di lavoro a confrontare le caratteristiche di trasmissione della pressione in diverse condizioni del modello.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica simulando forme d'onda di pressione osservate in ambienti di flusso arterioso o venoso.
- Riutilizzo aziendale: Rappresenta una capacità riutilizzabile per cicli iterativi di progettazione e verifica nella valutazione di dispositivi vascolari o biomateriali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva nei modelli di interazione fluido-struttura, riduzione dell'ambiguità meccanicistica negli studi sullo stress emodinamico.
- Valore operativo: Standardizzazione, riproducibilità e scalabilità delle misurazioni delle fluttuazioni di pressione tra diversi laboratori.
- Valore strategico: Decisioni più accurate sui progetti da proseguire o abbandonare nella priorizzazione di bersagli vascolari, maggiore efficienza nell'uso del capitale durante i test preclinici, riduzione del rischio biologico in fase avanzata dello sviluppo di dispositivi.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione dei candidati ottimizzata in base al rischio, basata sulla compatibilità emodinamica e sui profili di sicurezza endoteliale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in dinamica dei fluidi, calibrazione di trasduttori di pressione ed elaborazione di segnali acustici.
- Necessita di un amplificatore a basso rumore, un sistema di acquisizione dati, un generatore di funzioni, un altoparlante e un microfono di riferimento per la validazione.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro riguardo alla geometria della sonda, ai materiali dei tubi e ai metodi di sigillatura, al fine di garantire coerenza tra diversi laboratori.
- Comporta considerazioni relative all'adattamento per superfici curve, deformabili o a strati multipli, che simulano le proprietà dei tessuti vascolari.
- È limitato dalle dimensioni della sonda nel raggiungere geometrie luminari ristrette e da possibili alterazioni della risposta in frequenza dovute a variazioni di temperatura o deformazioni dei tubi.
