De meting van Unsteady Surface Pressure Met behulp van een Remote Microphone Probe
3 december 2016
Hier presenteren we een protocol om, met hoge ruimtelijke resolutie, de onstabiele oppervlaktedruk in turbulente stromingen te meten. Deze methode toont de constructie van een externe microfoon sonde (RMP) en de bepaling van de frequentie-afhankelijke, complexe overdrachtsfunctie. Een analytische bepaling van de dynamische respons wordt gepresenteerd en gevalideerd.
Het algemene doel van deze experimentele methode is om metingen met hoge ruimtelijke resolutie uit te voeren van de turbulentie-geïnduceerde drukschommelingen over oppervlakken van in vloeibare stromingen ondergedompeld lichamen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van vloeistofdynamica, aeroakoestiek en door stroming veroorzaakte trillingen van structuren, zoals ruimtelijke en temporele kenmerken van de onstabiele oppervlaktedruk veroorzaakt door turbulente bewegingen met kleine lengte-schalen. De afstandsmicrofoon sonde kan gedetailleerde informatie geven over de kenmerken van de onstabiele oppervlaktedrukvelden, met relatief hoge ruimtelijke resolutie over een breed frequentiebereik.
Bereid u voor op de experimenten door de afstandsmicrofoon sonde te bouwen. Dit vereist verschillende componenten. Primair onder deze is een kleine microfoon die gevoelig is voor de frequenties van belang.
De grootte van de resterende componenten hangt af van de gewenste gevoeligheid en frequentierespons van de sonde. Deze sonde gebruikt een stuk roestvrij staal buis met een binnendiameter van een halve millimeter. Het vereist ook een lang stuk zachte buis, met een binnendiameter van 1,25 millimeter.
Een op maat gesneden en geboord stuk Plexiglas zal dienen als microfoon stand. Aan de ene kant van de stand is een gat om de roestvrij stalen buis te huisvesten. Aan de andere kant van de stand is nog een gat.
Het is langs dezelfde as en past de zachte buis aan. Deze twee gaten zijn verbonden door het Plexiglas. Bovenop zijn er twee concentrische gaten.
Het grotere buitenste gat zal de microfoon houden. Het kleinere binnenste gat heeft toegang tot de holte. Deze dwarsdoorsnede geeft een gids voor de constructie van de stand.
Merk op dat de vernauwing die nodig is om de zijgatdiameters te matchen, dicht bij de ingang voor de roestvrij stalen buis is. Houd epoxy klaar om de componenten aan de stand te bevestigen. Haal de microfoon en oriënteer deze met zijn diafragma naar de stand gericht en plaats deze in zijn positie.
Wanneer deze in positie is, breng epoxy aan om deze op zijn plaats te fixeren. Vervolgens wordt de roestvrij stalen buis in de opening die ervoor is gemaakt, ingebracht voordat deze met epoxy wordt bevestigd. Bevestig de zachte buis op dezelfde manier op zijn plaats.
Aan de andere kant van de zachte buis, gebruik een plug om de buis te verzegelen. Met alle elementen aan de stand bevestigd, is deze sonde klaar om te worden gebruikt in een experiment. Vervolgens richt de aandacht zich op het modeloppervlak voor het experiment.
Deze demonstratie gebruikt een vlakke plaat met voorbereide meetpunten. Op een meetpunt moet er een doorlopend gat zijn dat loodrecht op het oppervlak staat. Het gat moet de buitendiameter van de roestvrij stalen buis in de sonde hebben.
Voor het experiment monteert u het modeloppervlak in de windtunnel. Vervolgens haalt u een microfoon sonde om deze aan het modeloppervlak bij het meetgat te bevestigen. Vanaf de achterkant van het oppervlak draait u de roestvrij stalen buis van de microfoon sonde in het gat.
De buisopening moet vlak zijn met het meetoppervlak. Breng epoxy aan op de kant tegenover de meetplaats om de buis op zijn plaats te bevestigen. Met de microfoon sonde op zijn plaats, omring hem met akoestisch schuim om te voorkomen dat parasitaire ruis het systeem besmet.
Werk vervolgens met de zachte anechoïsche buis van de sonde. Verplaats de gesloten kant uit het testgedeelte van de windtunnel. Omring het met akoestische panelen om het te isoleren van zijn omgeving.
Terug bij de sonde, verbind de microfoon met de ingangen van een laagrauwheidsversterker, die zich buiten het technische gedeelte van de windtunnel bevindt. Vervolgens gaat u naar de elektronica buiten de tunnel. De laagrauwheidsversterker is verbonden met het data-acquisitiesysteem.
Stel de versterkerversterking in op tien. Kalibratie van de afstandsmicrofoon sonde vereist verschillende stukken apparatuur. Voor de eerste fase, gebruik een hoogwaardige referentiemicrofoon met frequentie-onafhankelijk antwoord, samen met de zuigertelefoon.
Daarnaast moet er een versterker zijn met zijn uitgang verbonden met het data-acquisitiesysteem. Sluit de microfoon aan op de ingang van de versterker en stel de ingang en de uitgangsversterking in op tien decibel. Vervolgens haalt u de zuigertelefoon.
Plaats de microfoon in de zuigertelefoon voor de meting. Wanneer klaar, zet de zuigertelefoon aan. Ga naar het data-acquisitiesysteem om de data-acquisitiefrequentie en het aantal monsters in te stellen.
Begin met het verzamelen en opslaan van de spanning van de referentiemicrofoon om de kalibratieconstante te berekenen. Zodra de kalibratieconstante is bepaald, verwijdert u de microfoon uit de zuigertelefoon. Verplaats nu de microfoon naar het oppervlak van het model, gebruik een houder om de microfoon loodrecht op het oppervlak over de sondebuis te positioneren, waar de drukfluctuatie zal worden gemeten.
Lign de microfoon met het centrum van de sonde aanklopping, en één millimeter erboven. De volgende stappen vereisen een luidspreker met een interne versterker verbonden met een functiegenerator. Monteer de luidspreker in de buurt van het oppervlak van het model en 2,5 meter van de microfoon.
De luidspreker moet uitgeschakeld zijn en de kegel moet naar het oppervlak van het model worden gericht. Buiten de windtunnel werkt u met de functiegenerator. Zet het aan en gebruik de witte ruisoptie om het akoestische signaal te leveren.
Keer terug naar de luidspreker en zorg ervoor dat de versterking op minimum staat. Schakel vervolgens de luidspreker in en pas het volume zo hoog mogelijk aan zonder schade te veroorzaken. Keer terug naar het data-acquisitiesysteem.
Verzamel en bewaar tijdreeksendata van de spanningsuitgangen van de sonde en referentiemicrofoons. Kalibratie is de meest kritische stap van deze procedure. Om succes te garanderen, gebruik een model om de overdrachtsfunctie te voorspellen en vergelijk het met de experimentele resultaten.
Gebruik bovendien hoogwaardige
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het meten van ongestage oppervlaktedruk in turbulente stromingen met een hoge ruimtelijke resolutie. De methode omvat het construeren van een remote microphone probe (RMP) en het bepalen van de frequentieafhankelijke overdrachtsfunctie ervan.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschapsgebied
- Stromingsleer
- Aeroakoestiek
- Stromingsgeïnduceerde structuurvibraties
Achtergrond
- Het begrijpen van turbulentie-geïnduceerde drukfluctuaties is cruciaal in diverse toepassingen.
- Metingen met een hoge ruimtelijke resolutie kunnen inzicht bieden in het gedrag van vloeistoffen.
- De remote microfoonsonde is een essentieel instrument voor het vastleggen van gedetailleerde kenmerken van het drukveld.
- Deze methode biedt een oplossing voor de uitdagingen bij het meten van turbulente bewegingen op kleine lengteschalen.
Doel van de studie
- Om turbulentie-geïnduceerde drukfluctuaties over oppervlakken in vloeistofstromingen te meten.
- Om ruimtelijke en temporele kenmerken van ongestage oppervlaktedruk te analyseren.
- Om de dynamische respons van de remote microfoonsonde te valideren.
Gebruikte methoden
- Constructie van een remote microfoonsonde met gebruik van gevoelige microfoons.
- Meting van drukfluctuaties in turbulente stromingen.
- Bepaling van de frequentieafhankelijke overdrachtsfunctie van de sonde.
- Analytische validatie van de dynamische respons van de sonde.
Belangrijkste resultaten
- De remote microfoonsonde biedt metingen met een hoge ruimtelijke resolutie.
- Frequentieafhankelijke kenmerken van ongestage oppervlaktedruk werden succesvol vastgelegd.
- De methode demonstreert een effectieve meting van turbulentie-geïnduceerde drukfluctuaties.
- Validatie van de dynamische respons van de sonde werd bereikt via analytische methoden.
Conclusies
- Dit protocol vergroot het begrip van turbulente stromingen en hun effecten op oppervlakken.
- De remote-microfoonsonde is een waardevol instrument voor onderzoekers in de vloeistofdynamica.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid naar diverse vakgebieden waar gedetailleerde drukmetingen vereist zijn.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Deze methode maakt hoogresolutiemeting van ongestage oppervlaktedruk in turbulente stromingen mogelijk, wat bijdraagt aan mechanische risicoreductie bij studies naar vloeistof-structuurinteractie. Het biedt voorspellend vertrouwen voor beoordelingen van aerodynamische belasting en trillingsanalyse in preklinische modelsystemen. De techniek verbetert de translationele continuïteit door vloeistofdynamica op de laboratoriumbank te koppelen aan fysiologische stroomomgevingen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar hemodynamische shear stress-patronen mogelijk die relevant zijn voor de validatie van vasculaire targets.
- Operationele waarde: Ondersteunt de functionele beoordeling van de endotheliale respons onder fysiologisch relevante stromingsomstandigheden.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Vergemakkelijkt de voorbereiding van gevalideerde flow-over-surface-systemen voor compound-screening in vasculaire modellen.
- Operationele waarde: Garandeert assay-standaardisatie door kwantificeerbare outputs van drukfluctuaties over verschillende frequenties.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Sluit aan bij ziekte-relevante systemen door drukdynamiek in stenotische of aneurysmatische geometrieën vast te leggen.
- Operationele waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over voortgang mogelijk via reproduceerbare drukmapping in preklinische stromingsmodellen.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode wordt geïntegreerd in de ontdekkingsbiologie via hemodynamische hypothesetoetsing en in screening via gestandaardiseerde uitlezingen van drukfluctuaties.
- Discovery Biology: Ondersteunt de verduidelijking van pathways door drukfluctuaties te koppelen aan mechanotransductiesignalering in vasculaire targets.
- Screening: Levert kwantitatieve, frequentie-opgeloste resultaten die vergelijking mogelijk maken van de effecten van verbindingen op vasculaire stijfheid of compliantie.
- Analytics: Biedt overdrachtsfuncties en coherentiemetrieken die teams helpen bij het vergelijken van druktransmissiekenmerken over verschillende modelcondities.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan op preklinische continuïteit door drukgolfvormen te simuleren die zijn waargenomen in arteriële of veneuze stroomomgevingen.
- Enterprise Reuse: Vertegenwoordigt een herbruikbare capaciteit voor iteratieve design-testcycli bij de evaluatie van vasculaire apparaten of biomaterialen.
Operationele en organisatorische impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in modellen voor vloeistof-structuurinteractie, vermindering van mechanistische ambiguïteit in hemodynamische stressstudies.
- Operationele waarde: Standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van drukfluctuatiemetingen tussen laboratoria.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen bij de prioritering van vasculaire doelwitten, kapitaalefficiëntie bij preklinische tests, vermindering van biologisch risico in een laat stadium van apparaatontwikkeling.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering van leads op basis van hemodynamische compatibiliteit en endotheliale veiligheidsprofielen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in vloeistofdynamica, kalibratie van druktransducers en akoestische signaalverwerking.
- Necessiteert een laagruisversterker, een datas acquisitiesysteem, een functiegenerator, een luidspreker en een referentiemicrofoon voor validatie.
- Vraagt om cross-team standaardisatie van sondegeometrie, slangmaterialen en afdichtingsmethoden om interlaboratoriumconsistentie te waarborgen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing aan gebogen, compliant of meerlaagse oppervlakken die vasculaire weefseleigenschappen nabootsen.
- Beperkt door sonde-formaatrestricties bij toegang tot nauwe luminale geometrieën en mogelijke wijzigingen in de frequentierespons door temperatuur of vervorming van de slangen.
