Исследование трехмерного разделения потока, вызванного моделью Vocal Fold Polyp

Общей целью данного эксперимента является исследование трехмерного разделения потока, вызванного моделью полипа голосовых складок. Это достигается путем установки полусферы протеза с соотношением сторон два к одному в испытательную секцию аэродинамической трубы для моделирования настенного выступа, такого как полип или узел. В качестве второго шага выполняются методы визуализации масляного потока, которые позволяют визуализировать линии трения обшивки, а также точки разделения и крепления в поверхностном потоке.

Затем проводятся нестационарные измерения поверхностного давления вокруг настенного выступа. Для количественной оценки нагрузок давления в стенке, окружающих модельный полип, результаты в сочетании с данными симметрии изображения частиц показывают наличие подковообразного вихря, сбрасывающего шпильки, а также пространственные и временные нагрузки давления, окружающие модельный полип голосовых складок, которые, как ожидается, способствуют нерегулярной динамике голосовых складок, наблюдаемой у пациентов с патологическими состояниями, такими как полипы или узелки. Этот метод может дать представление о динамике жидкости при патологических нарушениях голосовых складок.

Он также может быть применен в других системах, таких как кровоток и стенозные артерии, управление прибрежными песчаными дюнами, вторичный поток, теплообменники и ветроэнергетика. Как правило, у людей, плохо знакомых с этим методом, могут возникнуть трудности с определением правильной смеси на масляной основе для их конкретных условий испытаний. Чтобы создать модель полипа голосовых складок, начните с создания трехмерного полипа системы автоматизированного проектирования или модели CAD.

В качестве вытянутой полусферы добавьте квадратное основание в нижней части полипа голосовой складки модели, которое будет использоваться для крепления модели к полу тестового участка. Экспортируйте модель 3D CAD в виде файла стереолитографии или STL. Выбирайте разрешение не менее 600 точек на дюйм, чтобы обеспечить гладкую поверхность на модели полипа.

Загрузите файл STL в соответствующее программное обеспечение и распечатайте его с помощью 3D-принтера высокого разрешения или быстрого прототипа. С разрешением встроенного слоя не менее 20 микрометров полип теперь готов к установке в аэродинамической трубе. Секция испытаний в аэродинамической трубе имеет съемную нижнюю пластину с квадратным отверстием, расположенную вдоль центральной линии пролета и в желаемом месте ниже по течению.

Отверстие используется для монтажа модели полипа голосовых складок. Чтобы подготовиться к испытаниям на расход масла, накройте внутреннюю поверхность испытательного участка аэродинамической трубы белой клейкой бумагой. Аккуратно положите клейкую бумагу, чтобы не было заломов или неровностей из-за пузырьков воздуха.

Прорежьте отверстие в клейкой бумаге над квадратным отверстием в полу испытательного участка. Затем установите на место съемную нижнюю пластину в тестовой секции. Теперь вставьте модельный полип в якорное положение.

Чтобы подготовиться к тестированию с помощью камеры высокого разрешения, установленной над испытательным участком в аэродинамической трубе, сфокусируйте камеру так, чтобы ее поле зрения включало в себя полип модели и окружающую область испытательного участка. Настройте камеру на получение изображений или видео. Приготовьте масляную смесь для визуализации потока, смешав детское масло с тоником, порошком и керосином в соотношении семь к одному к двум по объему.

Смешайте детское масло и тонер-порошок в емкости и помешивайте в течение нескольких секунд, пока тонер полностью не растворится. Затем добавьте керосин и перемешайте. Хорошо переложите смесь в пульверизатор для удобного нанесения на поверхность испытательного участка.

Перед нанесением масляной смеси очистите поверхность испытательного участка водой и вытрите бумажным полотенцем. Затем дайте ему высохнуть на воздухе в течение нескольких минут. С помощью пульверизатора, наполненного масляной смесью, распылите тонкий ровный слой жидкости на область, окружающую полип голосовой складки.

Тонкий ровный слой масляной смеси важен для производства правильного масла. Изображения для визуализации пленки инициируют получение изображения или видео на камеру. Съемка камеры начинается до включения аэродинамической трубы.

Для того чтобы зафиксировать начальное переходное движение масляной смеси, включите всасывающую аэродинамическую трубу с нужной скоростью. Масляная смесь начнет течь по поверхности испытательного участка. Как только масляная смесь перестанет течь и достигнет устойчивого состояния, как показано на стационарных диаграммах, или по истечении желаемого времени, остановите запись с камеры и выключите аэродинамическую трубу для добавления статического давления.

Нарезает резьбу по поверхности пола испытательного участка. Начните со средней линии анкерного положения модели полипа и просверлите отверстия в съемной пластине, чтобы сделать сетчатый узор шириной 89 сантиметров и 86 сантиметрами вниз по течению. Затем смонтируйте таблицы из нержавеющей стали в отверстия, окружающие модель полипа в нужной конфигурации.

Невзгоды имеют выпуклость на одном конце для крепления гибкой трубки и прямую на другом конце для монтажа. При правильном монтаже невзгоды заподлицо с полом испытательной секции. Затем прикрепите короткие отрезки прозрачной гибкой трубки из поливинилхлорида, чтобы подсоединить установленные таблицы из нержавеющей стали к измерительным портам сканирующего датчика давления.

Сканирующий преобразователь давления имеет 16 портов давления. Начните сбор данных о поверхностном давлении, подключив сканирующий преобразователь давления к компьютеру и настроив параметры сбора данных с помощью программного обеспечения сканирующего преобразователя давления. Настройте программное обеспечение для сбора данных на частоту 500 Гц в течение требуемой продолжительности сбора данных.

Далее установите всасывающую аэродинамическую трубу на нужную скорость. Теперь начните сбор данных об измерении давления. Измерения давления могут быть получены одновременно с любым желаемым методом диагностики расхода.

Например, PIV лазер, доплеровская симметрия и анемометрия с горячей проволокой. Модельный полип был протестирован в условиях стационарного потока с числом Рейнольдса 9 000. Первичная линия разделения вверх по течению отображается как темная линия вверх по течению от полипа.

Рядом с следом полипа находятся два узла концентрации завихренности, которые являются точками прикрепления двух вращающихся в противоположных направлениях вихревых трубок, образующих ноги расположенного ниже по течению вихря. Здесь показано изображение визуализации масляного потока для модельного полипа в поперечном потоке с числом Рейнольдса, равным 9 000. Темные линии, идущие вниз по течению от боков полипа, представляющие внешние границы следа, сходятся до точки прикрепления из-за рециркуляционного вихря позади объекта.

Результаты визуализации потока масла для установившихся условий течения подтверждают формирование подковообразной вихревой системы выше модельного полипа и вихрей-шпилек ниже полипа. Здесь показаны измерения давления на входе и выходе в течение одного колебательного цикла. Красная линия, расположенная в позиции номер три, указывает на место наименьшего давления в области обратного потока непосредственно после полипа.

Было обнаружено, что отдельные значения преобразователей давления изменяются на протяжении цикла, а разница давлений между местами расположения преобразователей изменяется в зависимости от местоположения цикла и, следовательно, от отображаемой средней скорости. Вот связанное исследование с использованием управляемой модели голосовых складок и настенной модели полипа голосовых складок. Направление потока жидкости находится за пределами экрана.

Цветные стрелки показывают векторные графики величины скорости, когда голосовые складки начинают раскрываться. Формируется сходящийся канал и вырабатывается благоприятный градиент давления. Поток проходит над полипом и направляется к средней линии.

Когда голосовая щель достигает максимальной ширины и принимает параллельную конфигурацию, образуются два вихря, вращающиеся в противоположном направлении. По мере того, как голосовые связки смыкаются, поток обходит полип и удаляется от передней задней средней линии После освоения этой техники ее можно выполнить за несколько минут, если она выполнена правильно. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как получать данные визуализации нефтяных потоков, которые можно использовать для определения областей высоких и низких скоростей линий трения кожи, а также для построения топологических карт сложных трехмерных течений.