Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Undersøke den tredimensjonale flytseparasjonen indusert av en modellvokalfold polypp

Published: February 3, 2014 doi: 10.3791/51080
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University, 2Department of Mechanical and Aeronautical Engineering, Clarkson University

Summary

Stemmefoldpolypper kan forstyrre vokalfolddynamikken og kan dermed få ødeleggende konsekvenser for pasientens evne til å kommunisere. Tredimensjonal strømningsseparasjon indusert av en veggmontert modellpolyp og dens innvirkning på veggtrykkbelastningen undersøkes ved hjelp av partikkelbilde velocimetry, hudfriksjonslinjevisualisering og veggtrykkmålinger.

Abstract

Væskestrukturens energiutvekslingsprosess for normal tale har blitt studert mye, men det er ikke godt forstått for patologiske forhold. Polypper og knuter, som er geometriske abnormiteter som dannes på medialoverflaten av vokalfoldene, kan forstyrre vokalfolddynamikken og dermed kan ha ødeleggende konsekvenser for pasientens evne til å kommunisere. Vårt laboratorium har rapportert partikkelbilde velocimetry (PIV) målinger, i en undersøkelse av en modell polyp plassert på medial overflaten av en in vitro drevet vokal fold modell, som viser at en slik geometrisk abnormitet betydelig forstyrrer glottal jet oppførsel. Denne strømningsfeltjusteringen er en sannsynlig årsak til alvorlig nedbrytning av vokalkvaliteten hos pasienter med polypper. En mer fullstendig forståelse av dannelsen og forplantningen av vortiske strukturer fra en geometrisk fremspring, for eksempel en vokalfoldpolypp, og den resulterende innflytelsen på de aerodynamiske belastningene som driver vokalfolddynamikken, er nødvendig for å fremme behandlingen av denne patologiske tilstanden. Den nåværende undersøkelsen gjelder den tredimensjonale strømningsseparasjonen indusert av en veggmontert prolate hemispheroid med et 2: 1-størrelsesforhold i kryssstrøm, det vil si en modellvokalfoldpolypp, ved hjelp av en oljefilmvisualiseringsteknikk. Ustabil, tredimensjonal strømningsseparasjon og dens innvirkning av veggtrykkbelastningen undersøkes ved hjelp av hudfriksjonslinjevisualisering og veggtrykkmålinger.

Introduction

Vokalfoldene er to vevsbånd som strekker seg over vokalluftveien. Stemt tale produseres når et kritisk lungetrykk oppnås, og tvinger luft gjennom tilstøtende vokalfolder. Vokalfoldene består av mange lag med vev og er ofte representert av et forenklet tolags kroppsdekselsystem1. Den ekstracellulære matrisen, som utgjør mesteparten av dekklaget, består av kollagen- og elastinfibre, og gir ikke-lineære stressstammeegenskaper, som er viktige for riktig bevegelse av vokalfoldene1,2. Aerodynamiske krefter gir energi til vevet i vokalfoldene og begeistrer selvforsynte svingninger3. Når vokalen bretter oscillate, danner åpningen mellom dem, referert til som glottis, en temporally varierende åpning som går fra en konvergent til en uniform og deretter til en divergerende passasje før du lukker og gjentar syklusen4,6. Frekvenser av vibrasjon for normal tale spenner vanligvis over 100-220 Hz hos henholdsvis menn og kvinner, og skaper et pulsatile strømningsfelt som passerer gjennom glottis7. Væskestrukturen energiutvekslingsprosess for normal tale har blitt studert mye8-12; Imidlertid er forstyrrelsen av denne prosessen for noen patologier ikke godt forstått. Patologiske forhold i vokalfoldene kan føre til dramatiske endringer i dynamikken og påvirke evnen til å generere tale.

Polypper og knuter er geometriske abnormiteter som dannes på medialoverflaten av vokalfoldene. Disse abnormitetene kan påvirke pasientens evne til å kommunisere13. Likevel har bare nylig forstyrrelsen av strømningsfeltet på grunn av en geometrisk fremspring som en polypp blitt ansett som14. Denne studien viste at den "normale" energiutvekslingsprosessen for væskestruktur ble drastisk endret, og at modifikasjonen av strømningsfeltet var den mest sannsynlige årsaken til alvorlig nedbrytning av vokalkvalitet hos pasienter med polypper og knuter. Det er ikke etablert noen omfattende forståelse av strømningskonstruksjonene som produseres ved tredimensjonal strømningsseparasjon fra en polypp i pulsatolstrøm. Generering og forplantning av vortiske strukturer fra en polypp, og deres påfølgende innvirkning på de aerodynamiske belastningene som driver vokalfolddynamikk, er en nødvendig kritisk komponent for å fremme kirurgisk utbedring av polypper hos pasienter.

Mens strømningsseparasjon fra en veggmontert halvkuleformet i jevn strømning har blitt undersøkt15-23, overraskende nok er det lite informasjon om ustabil tredimensjonal strømningsseparasjon fra en halvkuleformet på en vegg utsatt for pulsatile eller ustabile strømningsforhold som finnes i tale. Det banebrytende arbeidet til Acarlar og Smith15 ga en analyse av de tredimensjonale sammenhengende strukturene generert av jevn strømning over en veggmontert halvkuleformet innenfor et laminært grenselag. Akarlar og Smith identifiserte to typer vortiske strukturer. En stående hesteskovirvel ble dannet oppstrøms for hemisfæroid-fremspringet og utvidet nedstrøms for fremspringet på hver side. I tillegg ble hårnålsvortices kastet periodisk fra den veggmonterte halvkuleoiden i kjølvannet. Den komplekse bevegelsen og progresjonen av hårnålsvortices ble undersøkt og beskrevet i detalj.

Strømning over en jevnt konturert aksisymmetrisk ås har tidligere blitt studert der både overflatestatiske trykkmålinger og overflateoljevisualisering ble oppnådd på og nedstrøms av støtet i en turbulent skjærstrøm. Oljefilmteknikker muliggjør visualisering av hudfriksjonslinjer, områder med høy og lav hastighet og separasjons- og festepunkter i en overflatestrøm, og er nyttige for å undersøke kjølvannet av et veggmontert objekt. For denne teknikken er overflaten av interesse belagt med en tynn film av en oljebase og fint pulverpigment (dvs. lampblack, grafittpulver eller titandioksid) blanding. Ved de ønskede strømningsforholdene fører friksjonskrefter til at oljen beveger seg langs overflaten, noe som fører til at pigmentpulveret deponeres i striper. Kritiske eller singularitetspunkter, steder der skjærspenningen er null eller to eller flere komponenter av gjennomsnittlig hastighet er null, kan klassifiseres fra det resulterende hudfriksjonslinjemønsteret som salpunkter eller nodalpunkter24-26.

For åsgeometrien ble det ikke funnet singularitet forårsaket av separasjon oppstrøms; Dette ble tilskrevet den jevnt stigende konturen av støtet, som ikke genererte den negative trykkgradienten som oppstår med en halvkuleformet fremspring. Følgelig ble strømmen funnet å akselerere til toppen av støtet, hvoretter ustabile sadelfokus separasjonspunkter utviklet seg kort tid forbi bump-midtlinjen, som forventet fra dannelsen av en hårnålvirvel27,28. I en studie som brukte lignende eksperimentelle teknikker med en annen veggmontert geometri, viste oljefilmvisualisering rundt en overflatemontert kube i jevn strømning utført av Martinuzzi og Tropea29 to klare hudfriksjonslinjer oppstrøms for objektet. Den første hudfriksjonslinjen korresponderte med den primære separasjonslinjen forårsaket av den negative trykkgradienten og den andre hudfriksjonslinjen markerte den tidsgjennomsnittte plasseringen av hesteskovirvelen. Overflatetrykkmålinger utført oppstrøms for objektet viste et lokalt minimum langs hesteskovirvellinjen og et lokalt trykk maksimalt mellom de primære separasjons- og hesteskovirvellinjene. Lignende oppstrøms separasjonslinjer dannes med andre overflatemonterte geometrier, inkludert en sirkulær sylinder, pyramide og kjegle29-31. Overflatevisualisering nedstrøms for veggmonterte objekter viser vanligvis to foci forårsaket av resirkuleringsområdet bak objektet30. To vortices genereres i foci-posisjonene og tilsvarer "arch-type" eller hårnålvirvel sett i kjølvannet av en veggmontert hemisfæroid32.

Partikkelbilde velocimetry (PIV) har tidligere blitt brukt til å studere strømmen nedstrøms syntetiske vokalfoldmodeller33-35. PIV er en ikke-invasiv visualiseringsteknikk som bilder flyter sporstoffpartikkelbevegelse i et plan på for å fange romlig-temporal væskedynamikk36. Tredimensjonale sammenhengende strukturer som dannes nedstrøms for de oscillerende vokalfoldene har blitt studert av Neubauer et al. 37; vortexgenerering og konveksjon og jet flapping ble observert. Nylig, Krebs et al. 38 studerte tredimensjonaliteten til glottalstrålen ved hjelp av stereoskopisk PIV, og resultatene viser glottal jetakseveksling. Erath og Plesniak14 undersøkte effekten av en modellvokalfoldpolypp på medialoverflaten til en 7,5 ganger skalert opp dynamisk drevet vokalfoldmodell. En resirkuleringsregion ble dannet nedstrøms for polyppen og jetdynamikken ble påvirket gjennom hele phonatory syklusen. De tidligere studiene, som forbyr den drevne vokalfoldpolyppstudien av Erath og Plesniak14, har ikke utforsket væskedynamikken indusert av en medial vokalfold polypp eller knute.

Det er viktig å forstå den flytende dynamiske effekten av modellens polypp innenfor stabile og pulsatile strømningsfelt før du inkluderer den ekstra kompleksiteten til vokalfoldens bevegelige vegger, induserte trykkgradienter, begrenset geometrisk volum og andre vanskeligheter. Det nåværende arbeidet fokuserer på signaturen til strømningsstrukturene på nedstrømsveggen under både stabile og ustabile strømningsforhold. Samspillet mellom de virveliske strukturene som kastes fra et fremspring og nedstrømsveggen er av stor interesse for undersøkelse av vokalfoldpolypper så vel som andre biologiske hensyn, da disse interaksjonene fremkaller en biologisk respons.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

I dette arbeidet er en veggmontert prolate hemispheroid, det vil si en modellvokalfoldpolypp, plassert på testseksjonen i en sugetype vindtunnel med et 5: 1 sammentrekningsforhold. Ustabil, tredimensjonal strømningsseparasjon og dens effekt på veggtrykkbelastningen undersøkes ved hjelp av oljestrømningsvisualisering, veggtrykkmålinger og partikkelbildehastighet. De ustabile trykkmålingene oppnås ved hjelp av en sekstenkanals skannetrykktransduser med piezoresistive trykksensorer. Trykksensorene har en frekvensrespons på 670 Hz. Statiske trykkkraner dannet av rørkulasjoner i rustfritt stål er innfelt oppstrøms og nedstrøms for modellens vokalfoldpolyp for å lette overflatetrykkmålingene og kort plumbed til skannetrykkenheten. Oljestrømningsvisualisering og overflatetrykkmålinger kan ikke oppnås samtidig fordi olje vil strømme inn i trykkkranene som forårsaker begroing.

Følgende avsnitt gir protokollen for å sette opp og anskaffe oljefilmvisualisering og overflatetrykkmålinger rundt en veggmontert prolate hemispheroid. Selv om fasegjennomsnitts- og tidsavklarte partikkelbildehastighetsmålinger anskaffes, er ikke PIV-oppkjøpet inkludert i denne protokollen. Forfatterne foreslår referansene til Raffel et al. 36 og Adrian og Westerweel39 for en grundig forståelse av PIV eksperimentelt oppsett, datainnsamling og databehandling.

1. Generer fremspring (dvs. modellpolyp)

  1. Bygg en tredimensjonal CAD-modell (computer-aided design) med ønsket geometri. Generer modellen vocal fold polyp som en prolate hemispheroid som måler 5,08 cm lang, 2,54 cm bred og 1,27 cm høy. Monter en 2,54 cm firkantet base som er 0,64 cm tykk til bunnen av modellen vokalfold polypp. Denne basen vil bli brukt til å forankre modellen til testdelgulvet.
  2. Eksporter 3D CAD-modellen som en STL-fil (stereolithography). STL-filformatet genererer modelloverflaten som en serie trekanter. Velg en tilstrekkelig oppløsning for å sikre en jevn overflate på modellpolypen. En oppløsning på minst 600 prikker/i anbefales.
  3. Last opp STL-filen til riktig programvare og skriv ut STL-filen ved hjelp av en høyoppløselig tredimensjonal skriver eller rask prototyper med en byggelagoppløsning på minst 20 μm.
  4. Vindtunneltestdelen er ca. 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm med en avtakbar bunnplate som vist i figur 1. Fres et 2,54 cm firkantet hull ca. 0,85 cm dypt inn i avtagbar plate for vindtunneltestdelen for å montere modellens stemmefoldpolyp for testing. Hullet skal være plassert i midten av testseksjonens bredde og være plassert på ønsket nedstrømssted for testing.

2. Forberedelse av oljestrømningsvisualisering

  1. For å forberede testdelen, dekk testseksjonens overflate inne i vindtunnelen med hvitt limpapir. Plasser og glatt ut klebepapiret forsiktig for å sikre at testdelgulvet ikke har støt på grunn av luftbobler eller bretter i klebepapiret. Klipp et hull i klebepapiret over det firkantede hullet i testdelgulvet for modellpolypankeret som skal festes til testseksjonsveggen.
  2. Sett fremspringet (modellvokalfoldpolyppen) i ankerposisjonen for å forberede testingen. Se figur 1.
  3. Monter et høyoppløselig kamera over vindtunneltestdelen. Fokuser kameraet for det valgte synsfeltet, inkludert modellpolypen og området rundt testdelen. Angi kameraanskaffelsesparametere for testing. En videoinnstilling bør brukes til å fange opp den forbigående delen av oljestrømvisualiseringen, eller hvis ustabile eller pulsatile strømmer er av interesse.
  4. Forbered strømningsvisualiseringsoljeblandingen ved å kombinere babyolje, kopitonerpulver og parafin i et 7:1:2-forhold etter volum. For eksempel: kombiner 35 ml babyolje, 5 ml kopitonerpulver og 10 ml parafin. Bland babyoljen og tonerpulveret sammen i en beholder og rør til toneren er helt oppløst. Tilsett deretter parafin og bland godt.
  5. Overfør blandingen til en sprøyteflaske for enkel påføring til testseksjonens overflate.

3. Målinger av oljestrømningsvisualisering

  1. Rengjør og tørk testdeloverflaten før hver påføring av oljeblandingen.
  2. Bruk sprøyteflasken fylt med oljeblandingen til å sprøyte et tynt, jevnt lag med væske over den delen av interesse. Et tynt, jevnt oljeblandingslag er viktig for å produsere riktige bilder av oljefilmvisualisering.
  3. Start bilde- eller videoanskaffelsen på kameraet. Start kameraanskaffelsen før vindtunnelen slås på for å fange opp den første forbigående oljeblandingsbevegelsen.
  4. Sett sugevindtunnelen til ønsket hastighet. Oljeblandingen vil begynne å strømme langs testdelens overflate.
  5. Når oljeblandingen slutter å strømme og har nådd en jevn tilstand(dvs. mønstrene står stille), eller når ønsket tid har gått, stopp kameraopptaket og slå av vindtunnelen.
    Merk: Video 1 viser oljeblandingen som strømmer til en jevn tilstand er nådd og hudfriksjonsmønsteret blir stasjonært. I videoen beveger flyten seg fra venstre mot høyre.

4. Forberedelse av overflatetrykkmåling

  1. Forbered testdelens gulvflate (avtakbar plate) ved å bore hull for montering av rør i rustfritt stål (0,16 cm ytre diameter og 2,54 cm lang) i testdelgulvet for å bygge statiske trykkkraner. Fra midtlinjen av ankerposisjonen til prolaten hemispheroid borer du hullene på et rutenett som strekker seg over 8,89 cm i den spenne retningen og 22,86 cm nedstrøms med 1,27 cm avstand i rutenettet og 2,54 cm nedstrøms rutenettavstand (se figur 1). Rørkulasjonene i rustfritt stål har en bule i den ene enden for å feste fleksible rør og er rett i den andre enden for montering.
    Merk: De statiske trykkkranene kan plasseres med tettere intervaller for et finere rutenett av trykkanskaffelsessteder.
  2. Monter tubuleringene rundt ankerposisjonen til den veggmonterte prolate hemisfæroiden (dvs. modellvokalfoldpolypp) i ønsket konfigurasjon på testdelgulvet for å forberede testing. Rørene skal monteres i flukt med testseksjonen.
  3. Fest biter av kort fleksibel slange (6,35 cm lengde, 0,159 cm indre diameter, 0,475 cm ytre diameter klar polyvinylkloridrør) fra de monterte rørene i rustfritt stål til måleportene for skannetrykktransduseren. Skannetrykktransduseren har seksten trykkporter.

5. Oppkjøp av overflatetrykkmåling

  1. Koble skannetrykkstransduseren til en datamaskin og konfigurer anskaffelsesparametrene ved hjelp av programvaren for skannetrykkstransduseren. Angi at anskaffelsesprogramvaren skal innhente data på 500 Hz i ønsket varighet av datainnsamlingen.
    Merk: Data ble innhentet med maksimal samplingsfrekvens for skannetrykktransduseren, 500 Hz, på grunn av de små trykkvariasjonene ved lave oscillasjonsfrekvenser.
  2. Sett sugevindtunnelen til ønsket hastighet.
  3. Start anskaffelse av trykkmåling. Trykkmålingene kan anskaffes samtidig med ønsket strømningsdiagnostisk teknikk (f.eks. PIV, laser Doppler-anemometri, anamometri med varm ledning osv.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tidligere arbeid med en 7,5 ganger skalert opp dynamisk drevet vokalfoldmodell har vist at tilstedeværelsen av en geometrisk fremspring, modellvokalfoldpolyp, forstyrrer den normale dynamikken i glottalstrålen gjennom hele phonatory-syklusen. Representative resultater fra den forrige drevne modellstudien for vokalfold vises i figur 2 og video 2. Videoen demonstrerer bevegelsen til de drevne vokalfoldene når de endres fra en konvergent til en divergerende geometri. Vokalfoldmodellene ble dynamisk drevet på 1,67 Hz med et Reynolds-nummer på 995 og et Strouhal-nummer på 1,9 x 10-2. Data ble samlet inn i traverseringsplanet 7,5 mm nedstrøms polyppen ved hjelp av fasegjennomsnittet partikkelbilde velocimetry14. Når vokalfoldene begynner å åpne seg, dannes en konvergent kanal og en gunstig trykkgradient utvikles. Strømmen begynner å rotere rundt modellpolypen mot slutten av åpningsfasen, når glottis er på maksimal bredde og vokalfoldene er i en parallell konfigurasjon og inn i sluttfasen. To motroterende vortices dannes som vist i figur 2b og 2c. Når vokalen lukkes, blir strømmen tvunget rundt polyppen og bort fra den fremre bakre midtlinjen. Det pågående arbeidet er en undersøkelse av effekten av en veggmontert halvkuleformet i både stabile og pulsatile kryssstrømningsforhold uten de ekstra kompleksitetene til de fysiologiske vokalfoldene. Foreløpige resultater er oppnådd for en 2: 1 sideforhold prolate hemispheroid; Et skjema i den eksperimentelle testdelen vises i figur 1. Modellpolyppen ble testet under stabile strømningsforhold ved Reynolds-tall fra 6000-9000; resultatene av oljestrømningsvisualiseringen vises i figur 3 og 4. Figur 3 viser en isometrisk visning av modellens polypp under stabile forhold med flyten som beveger seg fra venstre mot høyre. Den konsentrerte oljelinjen oppstrøms av polyppen (til venstre for polyppen) og på overflaten av polyppen viser separasjonslinjene. Den store konsentrerte oljeregionen like nedstrøms (til høyre) av polyppen presenterer vorticity konsentrasjonsnoder som er festepunkter for to motroterende virvelrør som danner bena på nedstrøms hårnålvirvel. Figur 4 viser en toppvisning av en modellpolypp i kryssflyt med flyten som beveger seg fra topp til bunn med et Reynolds-nummer på 9000. Vedleggsnoden er synlig nedstrøms (under) modellen vokalfold polypp. Oljestrømsvisualiseringsresultatene for de jevne strømningsforholdene bekrefter dannelsen av et hesteskovirvelsystem oppstrøms for modellen polyp og hårnål vortices nedstrøms for fremspringet som vist med andre veggmonterte gjenstander18,24,29,40.

Ustabile strømningsforhold, med Reynolds-nummeret (basert på gjennomsnittlig hastighet på 7,01 m/sek) på 6300 og et Strouhal-nummer på 1,2 x 10-3, resulterer i romlige og tidsmessige trykkvariasjoner. Den ustabile strømmen svinger ± 2,29 m/sek med en frekvens på 0,6 Hz. Figur 5 viser oppstrøms- og nedstrømstrykkmålingene gjennom en enkelt oscillatorisk syklus. Den røde linjen (plassert ved posisjon nummer 3) indikerer stedet for det laveste trykket i tilbakestrømningsområdet direkte nedstrøms for polyppen. De enkelte trykktransduserverdiene ble funnet å endre seg gjennom hele syklusen, og trykkforskjellen mellom svingerstedene varierte som en funksjon av syklusplasseringen og derfor gjennomsnittlig hastighet.

Figure 1
Figur 1. Skjema for vindtunneltest. a.) Full testdel vist med strømningsinntaket til venstre og uttaket til høyre. b.) Nærbildeskjema for den avtakbare gulvplaten for testdelen med en veggmontert veggmontert 2:1-størrelsesforholdsbrakett. Klikk her for å vise større bilde.

Figure 2
Figur 2. Hastighetsfelt nedstrøms for en modellvokalfold polypp montert på medialoverflaten til en 7,5 ganger oppskalert drevet vokalfoldmodell. a.) Dynamisk drevet vokalfoldmodellskjema som viser fristrømsflytretningen. b.) og c.) Tverrgående hastighetsfelt på to øyeblikk under phonatory-syklusen i y-z-planet ved x = 7,5 mm nedstrøms for en modellpolyp montert på medialoverflaten. Hastighetsfeltene tegnes inn som vektorplott av hastighetsstørrelse14. Klikk her for å vise større bilde.

Figure 3
Figur 3. Isometrisk visning av en veggmontert prolate hemispheroid (dvs. modell vokalfoldpolyp) i kryssstrøm (Re = 9000). Den primære oppstrøms separasjonslinjen vises som den mørke linjen oppstrøms (til venstre) av polyppen. To vorticity konsentrasjonsnoder ligger i nær kjølvannet av den veggmonterte prolate hemisfæroiden. Klikk her for å vise større bilde.

Figure 4
Figur 4. Bilde av oljestrømningsvisualisering for en prolate hemisfæroid i kryssstrøm (Re=9000). De mørke linjene som strekker seg nedstrøms fra sidene av polyppen (som representerer de ytre grensene for kjølvannet) konvergerer til festepunktet, på grunn av resirkuleringsvirvelen bak objektet. Plasseringene til den primære oppstrøms separasjonslinjen, hemisfæroidseparasjonslinjen, vorticity-konsentrasjonsnodene og nedstrøms vedleggsnoden identifiseres. Klikk her for å vise større bilde.

Figure 5
Figur 5. Oppstrøms og nedstrøms trykkmålinger av en enkelt syklus med ustabil strømning ved et Reynolds-nummer basert på gjennomsnittlig hastighet på 6300 og et Strouhal-nummer på 1,2 x 10-3 over en veggmontert prolate hemispheroid. Romlige og tidsmessige trykkforskjeller ble observert blant de målte trykktransdusere. Klikk her for å vise større bilde.

Klikk her for å vise Video 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.

Klikk her for å vise Video 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Å forstå dannelsen og forplantningen av vortiske strukturer fra en geometrisk fremspring og deres påfølgende effekt på de aerodynamiske belastningene som driver vokalfolddynamikk, er nødvendig for å gi innsikt og modeller for å fremme behandlingen av vokalfoldpolypper og knuter. Variasjonene i aerodynamiske belastninger forårsaket av modellpolyppen i dette eksperimentet forventes å bidra til uregelmessig stemmefolddynamikk observert hos pasienter med polypper13,41. Fremtidig arbeid inkluderer å undersøke den tredimensjonale strømningsseparasjonen under ustabile strømningsforhold ved hjelp av partikkelbildehastighet og korrelere resultatene med overflateflytvisualisering og overflatetrykkdata.

Oljestrømningsvisualisering er en nyttig og effektiv teknikk for identifisering av overflatetopologiske egenskaper som hudfriksjonslinjer og områder med høy og lav hastighet. Klassifiseringen av separasjons- eller festelinjer og noder fra overflateflytvisualisering er et viktig skritt i å konstruere topologiske kart, noen ganger kalt virvelskjeletter, av separasjons- og festeområdene til komplekse tredimensjonale strømmer basert på Critical Point Theory24,40,42. Siden oljestrømningsvisualisering først og fremst er en kvalitativ måling, er det viktig at de kvalitative resultatene fra oljestrømningsvisualiseringen kombineres med de kvantitative resultatene fra overflatetrykket og PIV-målingene. Utviklingen av et topologisk kart er nyttig for å forstå og identifisere de tredimensjonale strømningsstrukturene og knytte oljestrømningsvisualiseringsresultatene til PIV-måleresultatene.

Begrensninger i oljestrømsvisualiseringsteknikken inkluderer manglende evne til å skaffe samtidige oljestrømsvisualiseringsdata med overflatetrykkmåling eller partikkelbildehastighetsdata, og teknikkens begrensede evne til å spore ustabilitet og bevegelse i stedet for kritiske punkter forårsaket av ustabile strømmer. Den optimale oljestrømningsvisualiseringsblandingen avhenger av eksperimentspesifikke parametere for å justere viskositeten og overflatespenningen til blandingen basert på testhastigheten, problemet som skal undersøkes, og testoverflateegenskapene. Det er viktig at oljeblandingen begynner å strømme ved ønsket hastighet, og at overflaten etter rimelig tid skal være relativt tørr med det stripete overflatemønsteret som gjenstår. Se Merzkirch26 for en liste over kandidatoljer og pigmenter som skal brukes til ulike forhold. En feil blanding, basert på de spesifikke eksperimentelle parametrene, kan resultere i enten for mye pigment avsatt på overflategulvet, noe som ikke resulterer i klare striper, eller ikke nok pigmentavsatt som ikke resulterer i et streklignende mønster i det hele tatt. Ved påføring av blandingen på testdelgulvet fant forfatterne det best å sprøyte blandingen i stedet for å male blandingen på overflaten, en metode andre etterforskere har brukt. Maling av blandingen på overflaten resulterte i ekstra stripete linjer på grunn av søknaden.

I dette arbeidet er overflateoljefilmvisualiseringsteknikken implementert under stabile strømningsforhold (Video 1). De stabile strømningstestforholdene resulterer vanligvis i ekstremt klare bilder på grunn av stående strukturer i flyten. Imidlertid utføres også oljefilmvisualisering under ustabile strømningsforhold. Forfatterne undersøker for tiden om ytterligere informasjon kan fås fra bilder tatt under ustabile flytforhold og gyldigheten av denne teknikken. De ustabile strømningstestforholdene produserer strømningsfunksjoner som styrker og svekkes gjennom en enkelt oscillasjonssyklus. Av denne grunn blir høyhastighetsbilder av den dynamiske oljevisualiseringsregionen anskaffet når vindtunnelen og ustabilhetsgeneratorene fungerer.

Å undersøke tredimensjonal strømningsseparasjon fra en veggmontert halvkuleformet i ustabil strømning og det resulterende veggtrykket i nær kjølvann vil fundamentalt forbedre vår forståelse av ustabil tredimensjonal strømningsseparasjon. I tillegg til taleapplikasjoner har denne teknikken mulige anvendelser i styringen av kostbare sanddyner, forbedring av sekundær strømning i varmevekslerdesign, masseoverføring og vindenergi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet støttes av National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 og GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rapid Prototyper Objet Objet24 Tray Size (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm
Build layer thickness =  28 µm 
Accuracy = 0.1 mm
Build Resolution: X-axis: 600 dpi, Y-axis: 600 dpi, Z-axis: 900 dpi
Rapid Prototyper Model Material Objet VeroWhite Plus Fullcure 835
Rapid Prototyper Support Material Objet FullCure 705 Support
Copy Toner Xerox
Kerosene Sunnyside
Baby Oil Johnson's
Adhesive Paper Con-Tact Brand White adhesive covering
Tygon Tubing Tygon PVC Tubing 1/16 in ID, 3/16 in OD
Pressure Scanner (16 channel) Scanivalve DSA3217 Used for gas pressure measurements
Pressure range = ±5 in H2O
Full scale accuracy = ±0.3% full scale accuracy. 
Maximum scan rate = 500 Hz/channel
Stainless Steel Tubulations Scanivalve TUBN-063-1.0 0.063 in Diameter and 1 in Length

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hirano, M., Kakita, Y. Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science--recent advances. , College Hill Press. San Diego, CA. 1-46 (1985).
  2. Gray, S. D., Titze, I. R., Alipour, F., Hammond, T. H. Biomechanical and histologic observations of vocal fold fibrous proteins. Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 109 (1), 77-85 (2000).
  3. Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal fold. J. Acoustic. Soc. Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
  4. Boessenecker, A., Berry, D. A., Lohscheller, J., Eysholdt, U., Döllinger, M. Mucosal wave properties of a human vocal fold. Acta Acustica. 93 (5), 815-823 (2007).
  5. Shaw, H. S., Deliyski, D. D. Mucosal wave: a normophonic study across visualization techniques. J. Voice. 22 (1), 23-33 (2008).
  6. Krausert, C. R., Olszewski, A. E., Taylor, L. N., McMurray, J. S., Dailey, S. H., Jiang, J. J. Mucosal wave measurement and visualization techniques. J. Voice. 25 (4), 395-405 (2010).
  7. Fant, G. Acoustic Theory of Speech Production. Mouton and Co. N. V.: The Hague. , 15-79 (1960).
  8. Wegel, R. L. Theory of vibration of the larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 1, 1-21 (1930).
  9. Den Berg, J. V. an, Zantema, J. T., Doornenbal, P. On the air resistance and the Bernoulli effect of the human larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 29 (5), 626-631 (1957).
  10. Scherer, R. C., Shinwari, D., De Witt, K. J., Zhang, C., Kucinschi, B. R., Afjeh, A. A. Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees. TJ. Acoustic. Soc. Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).
  11. Thomson, S. L., Mongeau, L., Frankel, S. H. Aerodynamic transfer of energy to the vocal folds. TJ. Acoustic. Soc. Am. 118 (3), 1689-1700 (2005).
  12. Erath, B. D., Plesniak, M. W. An investigation of asymmetric flow features in a scaled-up driven model of the human vocal folds. Exp. Fluids. 49 (1), 131-146 (2010).
  13. Petrović-Lazić, M., Kosanović, R. Acoustic analysis findings in patients with vocal fold polyp. Acta Med. Saliniana. 38 (2), 63-66 (2009).
  14. Erath, B. D., Plesniak, M. W. Three-dimensional laryngeal flow fields induced by a model vocal fold polyp. Int. J. Heat Fluid Flow. 35, 93-101 (2012).
  15. Acarlar, M. S., Smith, C. R. A study of hairpin vortices in a laminar boundary layer. Part 1. Hairpin vortices generated by a hemisphere protuberance. J. Fluid Mech. 175, 1-41 (1987).
  16. Kawanisi, K., Maghrebi, M. F., Yokosi, S. An instantaneous 3-D analysis of turbulent flow in the wake of a hemisphere. Boundary-Layer Meteorol. 64, 1-14 (1992).
  17. Savory, E., Toy, N. Hemisphere and hemisphere-cylinders in turbulent boundary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364 (1986).
  18. Tamai, N., Asaeda, T., Tanaka, N. Vortex structures around a hemispheric hump. Boundary-Layer Meteorol. 39, 301-314 (1987).
  19. Savory, E., Toy, N. The separated shear layers associated with hemispherical bodies in turbulent boyndary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 28, 291-300 (1988).
  20. Ogawa, T., Nakayama, M., Murayama, S., Sasaki, Y. Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 38, 427-438 (1991).
  21. Manhart, M., Wengle, H. Large-eddy simulation of turbulent bounday layer flow over a hemisphere. Direct and Large-Eddy Simulation I: Selected papers from the First ERCOFTAC Workshop on Direct and Large-Eddy Simulation. , 299-301 (1994).
  22. Manhart, M. Vortex shedding from a hemisphere in a turbulent boundary layer. Theor. Comp. Fluid Dyn. 12, 1-28 (1998).
  23. Meroney, R. N., Letchford, C. W., Sarkar, P. P. Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth, rough and dual domes immersed in a boundary layer. Wind Struct. 5 (2-4), 347-358 (2002).
  24. Hunt, J. C. R., Abell, C. J., Peterka, J. A., Woo, H. Kinematical studies of the flows around free or surface-mounted obstacles; applying topology to flow visualization. J. Fluid Mech. 86 (01), 179 (2006).
  25. Legendre, R. Lignes de courant d'un ecoulement permanent: decollement et separation. La Recherche Aérospatiale. 6, 327-335 (1977).
  26. Merzkirch, W. Visualization of Surface Flow. Flow Visual. , 82-89 (1987).
  27. Simpson, R. L., Long, C. H. H., Byun, G. Study of vortical separation from an axisymmetric hill. Int. J. Heat Fluid Flow. 23 (5), 582-591 (2002).
  28. Byun, G., Simpson, R. L. Surface-pressure fluctuations from separated flow over an axisymmetric bump. Am. Inst. Aeronaut. Astronaut. J. 48 (10), 2397-2405 (2010).
  29. Martinuzzi, R., Tropea, C. The flow around surface-mounted, prismatic obstacles placed in a fully developed channel flow. J. Fluids Eng. 115, 85-92 (1993).
  30. Rödiger, T., Knauss, H., Gaisbauer, U., Krämer, E. Pressure and heat flux measurements on the surface of a low-aspect-ratio circular cylinder mounted on a ground plate. New Results Num. Exp. Fluid Mech. VI. , 121-128 (2007).
  31. Martinuzzi, R., AbuOmar, M., Savory, E. Scaling of the wall pressure field around surface-mounted pyramids and other bluff bodies. J. Fluids Eng. 129, 1147-1156 (2007).
  32. Taniguchi, S., Sakamoto, H., Kiya, M., Arie, M. Time-averaged aerodynamic forces acting on a hemisphere immersed in a turbulent boundary. J. Wind Eng. Indust. Aerodyn. 9, 257-273 (1982).
  33. Triep, M., Brücker, C. Three-dimensional nature of the glottal jet. The Journal of the Acoustic. Soc. Am. 127 (3), 1537-1547 (2010).
  34. Khosla, S., Murugappan, S., Paniello, R., Ying, J., Gutmark, E. Role of vortices in voice production: normal versus asymmetric tension. Laryngoscope. 119 (1), 216-221 (2009).
  35. Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. The Journal of the Acoustical Society of America. 123 (6), 4434-4445 (2008).
  36. Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer Verlag. (1998).
  37. Neubauer, J., Zhang, Z., Miraghaie, R., Berry, D. A. Coherent structures of the near field flow in a self-oscillating physical model of the vocal folds. J. Acoustic. Soc. Am. 121 (2), 1102-1118 (2007).
  38. Krebs, F., Silva, F., Sciamarella, D., Artana, G. A three-dimensional study of the glottal jet. Exp. Fluids. 52 (5), 1133-1147 (2011).
  39. Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. 30, Cambridge University Press. (2010).
  40. Tobak, M., Peake, D. J. Topology of three-dimensional separated flows. Ann. Rev. Fluid Mech. 14, 61-85 (1982).
  41. Zhang, Y., Jiang, J. J. Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx. Chaos. 18, 43102 (2008).
  42. Délery, J. M., Jean, M. Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation. Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).

Tags

Bioengineering utgave 84 oljestrømvisualisering vokalfoldpolyp tredimensjonal strømningsseparasjon aerodynamiske trykkbelastninger
Undersøke den tredimensjonale flytseparasjonen indusert av en modellvokalfold polypp
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Stewart, K. C., Erath, B. D.,… More

Stewart, K. C., Erath, B. D., Plesniak, M. W. Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp. J. Vis. Exp. (84), e51080, doi:10.3791/51080 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter