Badanie trójwymiarowej separacji przepływu indukowanej przez modelowy polip fałdu głosowego

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie trójwymiarowej separacji przepływu indukowanej przez modelowy polip fałdu głosowego. Osiąga się to poprzez zamontowanie półkuli prote o proporcjach dwa do jednego w sekcji testowej tunelu aerodynamicznego w celu zamodelowania występu zamontowanego na ścianie, takiego jak polip lub guzek. Drugim krokiem są techniki wizualizacji przepływu oleju, które umożliwiają wizualizację linii tarcia skóry oraz punktów separacji i mocowania w obrębie przepływu powierzchniowego.

Następnie wykonywane są pomiary nieustalonego ciśnienia powierzchniowego wokół wypukłości zamontowanej na ścianie. W celu ilościowego określenia obciążeń ciśnieniem w ścianie otaczającej modelowy polip, wyniki w połączeniu z danymi symetrii obrazu cząstek wskazują na obecność wiru podkowiastego zrzucającego wiry spinki do włosów oraz przestrzenne i czasowe obciążenia ciśnieniowe otaczające modelowy polip fałdu głosowego, które prawdopodobnie przyczynią się do nieregularnej dynamiki fałdów głosowych obserwowanej u pacjentów ze stanami patologicznymi, takimi jak polipy lub guzki. Metoda ta może zapewnić wgląd w dynamikę płynów patologicznych zaburzeń fałdów głosowych.

Może być również stosowany do innych systemów, takich jak przepływ krwi i zwężenia tętnic, zarządzanie przybrzeżnymi wydmami, przepływ wtórny oraz wymienniki ciepła i zastosowania energii wiatrowej. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, mogą mieć trudności z określeniem właściwej mieszanki na bazie oleju dla konkretnych warunków testowania. Aby stworzyć model polipa fałdu głosowego, zacznij od zbudowania trójwymiarowego polipa do projektowania wspomaganego komputerowo lub modelu CAD.

Jako płaską półkulę dodaj kwadratową podstawę do dolnej części polifera fałdu głosowego modelu, która zostanie użyta do zakotwiczenia modelu do podłogi sekcji testowej. Wyeksportuj model CAD 3D jako plik stereolitograficzny lub plik STL. Wybierz rozdzielczość co najmniej 600 punktów na cal, aby zapewnić gładką powierzchnię polipa modelu.

Prześlij plik STL do odpowiedniego oprogramowania i wydrukuj go za pomocą drukarki 3D o wysokiej rozdzielczości lub szybkiego prototypera. Dzięki wbudowanej warstwie o rozdzielczości co najmniej 20 mikrometrów, polip jest teraz gotowy do zamontowania w tunelu aerodynamicznym. Sekcja testowa w tunelu aerodynamicznym ma zdejmowaną płytę dolną z kwadratowym otworem umieszczonym wzdłuż linii środkowej rozpiętości i w żądanym miejscu za nim.

Otwór służy do montażu modelowego polipa fałdu głosowego. Aby przygotować się do testów przepływu oleju, przykryj wewnętrzną powierzchnię sekcji testowej tunelu aerodynamicznego białym papierem samoprzylepnym. Ostrożnie umieść papier samoprzylepny, aby upewnić się, że nie ma zagnieceń ani nierówności spowodowanych pęcherzykami powietrza.

Wytnij otwór w papierze samoprzylepnym nad kwadratowym otworem w podłodze sekcji testowej. Następnie wymień zdejmowaną dolną płytę w sekcji testowej. Teraz włóż model polipa do pozycji kotwiczenia.

Aby przygotować się do testów z użyciem kamery o wysokiej rozdzielczości zamontowanej nad sekcją testową w tunelu aerodynamicznym, ustaw ostrość kamerę tak, aby obejmowała pole widzenia, obejmował polip modelu i otaczający go obszar sekcji testowej. Ustaw aparat tak, aby rejestrował obrazy lub filmy. Przygotuj mieszaninę oleju do wizualizacji przepływu, łącząc toner, proszek i naftę z olejkiem dla niemowląt w stosunku siedem do jednego do dwóch objętości.

Wymieszaj oliwkę dla niemowląt i toner w proszku w pojemniku i mieszaj przez kilka sekund, aż toner całkowicie się rozpuści. Następnie dodaj naftę i wymieszaj. Dobrze przenieś mieszaninę do butelki z rozpylaczem, aby łatwo nałożyć ją na powierzchnię badanej sekcji.

Przed nałożeniem mieszanki olejowej należy oczyścić powierzchnię badanego odcinka wodą i osuszyć ją ręcznikiem papierowym. Następnie pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez kilka minut. Użyj butelki z rozpylaczem wypełnionej mieszanką oleju, aby rozpylić cienką, równą warstwę płynu na obszar otaczający polip fałdu głosowego modelu.

Cienka, równa warstwa mieszanki olejowej jest ważna dla produkcji prawidłowego oleju. Obrazy z wizualizacji filmowej inicjują akwizycję obrazu lub wideo w kamerze. Akwizycja kamery rozpoczyna się przed włączeniem tunelu aerodynamicznego.

Aby uchwycić początkowy przejściowy ruch mieszanki olejowej, włącz ssący tunel aerodynamiczny z żądaną prędkością. Mieszanina oleju zacznie płynąć wzdłuż powierzchni sekcji testowej. Gdy mieszanina olejowa przestanie płynąć i osiągnie stan ustalony, jak pokazują nieruchome wzorce, lub gdy upłynie żądany czas, zatrzymaj nagrywanie kamery i wyłącz tunel aerodynamiczny, aby zwiększyć ciśnienie statyczne.

Stuka w powierzchnię podłogi sekcji testowej. Zacznij od linii środkowej pozycji kotwiczenia polipa modelu i wywierć otwory w zdejmowanej płycie, aby utworzyć wzór siatki o szerokości ośmiu punktów 89 centymetrów i 22 punktach 86 centymetrów w dół rzeki. Następnie zamontuj tabulacje ze stali nierdzewnej w otworach otaczających polip modelu w żądanej konfiguracji.

Udary mają wybrzuszenie na jednym końcu do mocowania elastycznej rurki, a na drugim końcu są proste do montażu. Przy prawidłowym zamontowaniu utrapienia są zlicowane z podłogą sekcji testowej. Następnie przymocuj krótkie kawałki przezroczystych, elastycznych rurek z polichlorku winylu, aby połączyć zamontowane tabele ze stali nierdzewnej z portami pomiarowymi przetwornika ciśnienia skanującego.

Skanujący przetwornik ciśnienia posiada 16 portów ciśnieniowych. Rozpocznij akwizycję danych o ciśnieniu powierzchniowym, podłączając skanujący przetwornik ciśnienia do komputera i konfigurując parametry akwizycji za pomocą oprogramowania skanującego przetwornika ciśnienia. Ustaw oprogramowanie do akwizycji tak, aby pozyskiwało dane z częstotliwością 500 Hz przez żądany czas akwizycji danych.

Następnie ustaw ssący tunel aerodynamiczny na żądaną prędkość. Teraz rozpocznij akwizycję pomiaru ciśnienia. Pomiary ciśnienia mogą być wykonywane jednocześnie z dowolną pożądaną techniką diagnostyki przepływu.

Na przykład laser PIV, symetria dopplerowska vela i anemometria gorącego drutu. Model polipa został przetestowany w warunkach stałego przepływu z liczbą Reynoldsa 9 000. Pierwotna linia separacji przed polipem jest wyświetlana jako ciemna linia przed polipem.

W pobliżu śladu polipa znajdują się dwa węzły koncentracji wirowości, które są punktami mocowania dwóch przeciwbieżnie obracających się rurek wirowych, które tworzą nogi wiru znajdującego się za spinką do włosów. Pokazano tutaj obraz wizualizacji przepływu oleju dla modelowego polipa w przepływie krzyżowym o liczbie Reynoldsa 9 000. Ciemne linie biegnące w dół od boków polipa, reprezentujące zewnętrzne granice śladu, zbiegają się aż do punktu przyczepienia z powodu wiru recyrkulacyjnego za obiektem.

Wyniki wizualizacji przepływu oleju dla warunków stałego przepływu potwierdzają powstawanie układu wirowego podkowiastego przed modelowym polipem i wirów spinki do włosów poniżej polipa. Pomiary ciśnienia przed i za zaworem w jednym cyklu oscylacyjnym są pokazane tutaj. Czerwona linia znajdująca się w pozycji numer trzy wskazuje miejsce najniższego ciśnienia w obszarze przepływu zwrotnego bezpośrednio za polipem.

Stwierdzono, że poszczególne wartości przetwornika ciśnienia zmieniają się w trakcie cyklu, a różnica ciśnień między lokalizacjami przetworników zmieniała się w zależności od położenia cyklu, a tym samym pokazanej średniej prędkości. Oto powiązane badanie z wykorzystaniem napędzanych fałdów głosowych i montowanego na ścianie modelowego polipa fałdu głosowego. Kierunek przepływu płynu znajduje się poza ekranem.

Kolorowe strzałki pokazują wykresy wektorowe wielkości prędkości, gdy fałdy głosowe zaczynają się otwierać. Powstaje kanał zbieżny i rozwija się korzystny gradient ciśnienia. Przepływ przechodzi przez polip i jest skierowany w stronę linii środkowej.

Gdy głośnia osiąga maksymalną szerokość i przyjmuje konfigurację równoległą, powstają dwa przeciwbieżnie obracające się wiry w kierunku strumienia. Gdy fałdy głosowe zamykają się, przepływ jest wymuszany wokół polipa i z dala od przedniej tylnej linii środkowej Po opanowaniu tej techniki można wykonać w ciągu kilku minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, w jaki sposób pozyskiwać dane wizualizacji przepływu oleju, które można wykorzystać do identyfikacji linii tarcia skóry w obszarach wysokiej i niskiej prędkości oraz do konstruowania map topologicznych złożonych przepływów trójwymiarowych.