モデルの声帯ポリープによる三次元流分離の調査

次の実験の全体的な目標は、モデル声帯ポリープによって誘発される3次元の流れの分離を調査することです。これは、アスペクト比が2対1のプロテ半球を風洞の試験セクションに取り付けて、ポリープや結節などの壁に取り付けられた突起をモデル化することで実現されます。第2のステップとして、油流の可視化技術を行い、表層流内の表皮摩擦線や分離・付着点の可視化を可能にします。

次に、壁に取り付けられた突起の周囲で非定常な表面圧力測定値を取得します。モデルポリープを取り巻く壁面圧力負荷を定量化するために、粒子画像villas対称性データと組み合わせて、モデル声帯ポリープを囲む馬蹄形渦脱落ヘアピン渦の存在と、モデル声帯ポリープを取り巻く空間的および時間的な圧力負荷の存在を示しており、ポリープや結節などの病的状態の患者に観察される不規則な声帯動態に寄与することが期待されます。この方法は、病的な声帯障害の流体力学についての洞察を提供することができます。

また、血流や狭窄動脈、沿岸砂丘の管理、二次流、熱交換器、風力エネルギーアプリケーションなどの他のシステムにも適用できます。一般に、この方法に不慣れな人は、特定の試験条件に適した油性混合物を決定するのが難しい場合があります。モデルの声帯ポリープを作成するには、まず3次元のコンピューター支援設計またはCADモデルポリープを構築します。

按分半球として、モデルの声帯ポリープの下部に正方形のベースを追加して、モデルをテストセクションの床に固定するために使用されます。3D CADモデルをステレオリソグラフィーまたはSTLファイルとしてエクスポートします。モデルポリープの表面が滑らかになるように、少なくとも 600 ドット/インチの解像度を選択します。

STLファイルを適切なソフトウェアにアップロードし、高解像度の3Dプリンターまたはラピッドプロトタイピングを使用して印刷します。少なくとも20マイクロメートルのビルドレイヤー解像度により、ポリープを風洞に取り付ける準備が整いました。風洞試験セクションには、スパン方向の中心線に沿って、目的の下流位置に配置された正方形の穴を備えた取り外し可能な底板があります。

穴はモデルの声帯ポリープを取り付けるためのものです。油流試験の準備として、風洞試験部の内面を白い粘着紙で覆います。粘着紙は、気泡によるしわや隆起がないように慎重に置きます。

テストセクションの床の四角い穴の上の粘着紙に穴を開けます。次に、テストセクションの取り外し可能な底板を交換します。次に、モデルのポリープをアンカー位置に挿入します。

風洞試験セクションの上に取り付けた高解像度カメラを使用して試験の準備をするには、モデルのポリープと周囲の試験セクション領域を含む視野にカメラの焦点を合わせます。カメラを画像またはビデオのいずれかを取得するように設定します。ベビーオイル、コピートナー、パウダー、灯油を体積比7対1対2の比率で組み合わせて、フロー可視化オイル混合物を調製します。

容器にベビーオイルとトナーパウダーを混ぜ合わせ、トナーが完全に溶けるまで数秒間かき混ぜます。次に灯油を加えて混ぜます。混合物をスプレーボトルによく移し、試験セクションの表面に簡単に塗布できます。

オイル混合物を塗布する前に、試験部の表面を水で洗浄し、ペーパータオルで乾かしてください。その後、数分間自然乾燥させます。オイル混合物で満たされたスプレーボトルを使用して、モデルの声帯ポリープの周囲に薄く均一な液体の層をスプレーします。

油を適正に生産するためには、油の混合物を薄く均一に塗る層が重要です。フィルム視覚化画像は、カメラでの画像またはビデオの取得を開始します。カメラの取得は、風洞の電源がオンになる前に開始されます。

初期の過渡油混合物の動きを捉えるには、吸引風洞を希望の速度でオンにします。オイル混合物は、テストセクションの表面に沿って流れ始めます。オイル混合物の流れが止まり、静止パターンで示されるように定常状態になったら、または目的の時間が経過したら、カメラの録画を停止し、風洞の電源を切って静圧を追加します。

テストセクションの床面にタップします。モデルポリープのアンカー位置の正中線から開始し、取り外し可能なプレートに穴を開けて、幅 89 センチメートルの 8 ポイントと下流の 86 センチメートルの 22 ポイントにまたがるグリッド パターンを作成します。次に、ステンレス鋼の表をモデルポリープを囲む穴に目的の構成で取り付けます。

苦難は、一方の端にフレキシブルチューブを取り付けるための膨らみがあり、もう一方の端には取り付け用にまっすぐです。適切に取り付けられると、苦難はテストセクションの床と洗い流されます。次に、透明で柔軟なポリ塩化ビニルチューブの短い部分を取り付けて、取り付けられたステンレス鋼の表を走査型圧力トランスデューサの測定ポートに接続します。

走査型圧力トランスデューサには16個の圧力ポートがあります。表面圧力データの取得を開始するには、走査型圧力トランスデューサをコンピュータに接続し、走査型圧力トランスデューサソフトウェアを使用して取得パラメータを設定します。データ収集ソフトウェアを、データ収集の目的の期間、500ヘルツでデータを収集するように設定します。

次に、吸引風洞を希望の速度に設定します。次に、圧力測定の収集を開始します。圧力測定は、任意の所望の流量診断技術と同時に取得することができます。

たとえば、PIV レーザー、ドップラー ベラ対称性、熱線風速計などです。モデルポリープは、レイノルズ数9, 000の定常流条件下でテストされました。主要な上流の分離線は、ポリープの上流の暗い線として表示されます。

ポリープの後流の近くには、下流のヘアピン渦の脚を形成する2つの逆回転渦管の取り付け点である2つの渦度集中ノードがあります。ここに示されているのは、レイノルズ数が9, 000のクロスフローのモデルポリープのオイルフロー視覚化画像です。ポリープの側面から下流に伸びる暗い線は、後流の外側の限界を表し、物体の背後の再循環渦により、付着点まで収束します。

定常流条件での油流の可視化結果から、モデルポリープの上流に馬蹄形渦系が形成され、ポリープの下流にヘアピン渦が形成されていることが確認されました。ここでは、1回の振動サイクルにおける上流と下流の圧力測定を示します。位置番号3にある赤い線は、ポリープのすぐ下流の逆流領域で最も圧力が低い場所を示しています。

個々の圧力トランスデューサの値はサイクルを通じて変化することがわかりました。トランスデューサの位置間の圧力差は、サイクルの位置、つまり示されている平均速度の関数として変化しました。これは、ドリブンモデル声帯と壁掛けモデル声帯ポリープを使用した関連研究です。流体の流れの方向は画面から外れています。

色付きの矢印は、声帯が開き始めたときの速度の大きさのベクトルプロットを示しています。収束チャネルが形成され、好ましい圧力勾配が形成されます。流れはポリープを通過し、正中線に向けられます。

声門が最大幅に達し、平行な構成になると、2つの逆回転する流れの渦が形成されます。声帯が閉じると、流れはポリープの周りを強制され、前方の後正中線から離れます 一度習得すると、このテクニックは適切に実行されれば数分で実行できます。このビデオを見れば、皮膚摩擦線の高速度領域と低速領域を特定し、複雑な3次元流れのトポロジカルマップを構築するために使用できる油流可視化データを取得する方法について十分に理解できるはずです。