Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Undersøgelse af tre-dimensionelle Flow Separation induceret af en model Vocal Fold Polyp

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

Vokal fold polypper kan forstyrre vokal fold dynamik og dermed kan have ødelæggende konsekvenser for en patients evne til at kommunikere. Tredimensionel flowadskillelse induceret af en vægmonteret modelpolyp og dens indvirkning på vægtrykbelastningen undersøges ved hjælp af partikelbillede velocimetry, hudfriktionslinjevisualisering og vægtryksmålinger.

Abstract

Den væskestruktur energiudvekslingsproces til normal tale er blevet undersøgt grundigt, men den er ikke godt forstået for patologiske forhold. Polypper og knuder, som er geometriske abnormiteter, der dannes på den mediale overflade af vokalfolderne, kan forstyrre vokalfolddynamikken og dermed kan have ødelæggende konsekvenser for en patients evne til at kommunikere. Vores laboratorium har rapporteret partikel billede velocimetry (PIV) målinger, inden for en undersøgelse af en model polyp placeret på den mediale overflade af en in vitro drevet vokal fold model, som viser, at en sådan geometrisk abnormitet betydeligt forstyrrer glottal jet adfærd. Denne flowfeltjustering er en sandsynlig årsag til den alvorlige nedbrydning af vokalkvaliteten hos patienter med polypper. En mere komplet forståelse af dannelsen og udbredelsen af hvirvlende strukturer fra en geometrisk fremspring, såsom en vokal fold polyp, og den deraf følgende indflydelse på de aerodynamiske belastninger, der driver vokal fold dynamik, er nødvendig for at fremme behandlingen af denne patologiske tilstand. Denne undersøgelse vedrører den tredimensionale flowadskillelse, der er fremkaldt af en vægmonteret prolate hemispheroid med et 2:1-højde-bredde-forhold i krydsflow, dvs. Ustabil, tredimensionel flowadskillelse og dens indvirkning af vægtrykbelastningen undersøges ved hjælp af hudfriktionslinjevisualisering og vægtryksmålinger.

Introduction

Vokalfolderne er to bånd af væv, der strækker sig over vokal luftvejene. Stemme tale er produceret, når en kritisk lungetryk er opnået, tvinger luft gennem adducted vokal folder. Vokalfolderne er sammensat af mange lag væv og er ofte repræsenteret af et forenklet tolags body-cover system1. Den ekstracellulære matrix, der udgør størstedelen af dæklaget, består af kollagen og elastinfibre, der giver ikke-lineære stressbelastningsegenskaber, som er vigtige for den korrekte bevægelse af vokalfolderne1,2. Aerodynamiske kræfter giver energi til vævet i vokalfolderne og ophidser selvbærende svingninger3. Som vokal folder svinger, åbningen mellem dem, benævnt glottis, danner en tidsmæssigt varierende åbning, der skifter fra en konvergent til en ensartet og derefter til en divergerende passage, før du lukker og gentagercyklus 4,6. Frekvenser af vibrationer til normal tale spænder typisk over henholdsvis 100-220 Hz hos henholdsvis mænd og kvinder, hvilket skaber et pulsatile flowfelt, der passerer gennem glottis7. Den flydende struktur energi udveksling proces for normal tale er blevet undersøgt grundigt8-12; Afbrydelsen af denne proces for nogle patologier er imidlertid ikke godt forstået. Patologiske forhold i vokalfolderne kan resultere i dramatiske ændringer i deres dynamik og påvirke evnen til at generere stemmet tale.

Polypper og knuder er geometriske abnormiteter, der dannes på vokalfoldernes mediale overflade. Disse abnormiteter kan påvirke en patients evne til at kommunikere13. Ikke desto mindre er først for nylig forstyrret flowfeltet på grund af en geometrisk fremspring som en polyp blevet betragtet som14. Denne undersøgelse viste, at den "normale" væskestruktur energiudvekslingsproces blev drastisk ændret, og at ændringen af flowfeltet var den mest sandsynlige årsag til den alvorlige nedbrydning af vokalkvaliteten hos patienter med polypper og knuder. Der er ikke etableret nogen omfattende forståelse af de flowstrukturer, der produceres af tredimensionel flowadskillelse fra en polyp i pulsatileflow. Generering og formering af hvirvlende strukturer fra en polyp, og deres efterfølgende indvirkning på de aerodynamiske belastninger, der driver vokal fold dynamik er en nødvendig kritisk komponent til at fremme kirurgisk oprydning af polypper hos patienter.

Mens flow adskillelse fra en væg monteret hemispheroid i konstant flow er blevet undersøgt15-23, overraskende, der er lidt information om ustabile tre-dimensionelle flow adskillelse fra en halvkugleformet på en væg underlagt pulsatile eller ustabile flow betingelser, som findes i tale. Acarlars og Smiths skelsættende arbejde15 gav en analyse af de tredimensionelle sammenhængende strukturer, der genereres af et stabilt flow over en vægmonteret hemispheroid inden for et laminargrænselag. Acarlar og Smith identificerede to typer af hvirvlende strukturer. En stående hestesko vortex blev dannet opstrøms for hemispheroid fremspring og forlænget nedstrøms af fremspring på begge sider. Derudover blev hårnål hvirvler kastes med jævne mellemrum fra væggen monteret hemispheroid i kølvandet. Den komplekse bevægelse og progression af hårnåle hvirvler blev undersøgt og beskrevet i detaljer.

Flow over en jævnt kontureret aksemetrisk bakke er tidligere blevet undersøgt, hvor både overflade statiske trykmålinger og overfladeolievisualisering blev erhvervet på og nedstrøms af bumpet inden for et turbulent forskydningsflow. Oliefilmteknikker gør det muligt at visualisering af hudfriktionslinjer, områder med høj og lav hastighed og adskillelses- og fastgørelsespunkter i et overfladeflow og er nyttige til at undersøge kølvandet på et vægmonteret objekt. Til denne teknik er overfladen af interesse belagt med en tynd film af en olie-base og fine pulver pigment(dvs. lampblack, grafit pulver, eller titandioxid) blanding. Ved de ønskede strømningsforhold får friktionskræfterne olien til at bevæge sig langs overfladen, hvilket får pigmentpulveret til at blive deponeret i striber. Kritiske punkter eller singularitetspunkter, steder, hvor forskydningsbelastningen er nul eller to eller flere komponenter i gennemsnitshastigheden, kan klassificeres fra det resulterende hudfriktionslinjemønster som sadelpunkter eller knudepunkter24-26.

For bakkens geometri blev der ikke fundet nogen singularitet forårsaget af adskillelse opstrøms; dette blev tilskrevet bumpets glat stigende kontur, som ikke genererede den negative trykgradient, der opstår med en halvkugleformet fremspring. Derfor blev strømmen fundet at accelerere, indtil toppen af bump hvorefter ustabile sadel-fokus adskillelsespunkter udviklet kort forbi bump centerline, som det kunne forventes fra dannelsen af en hårnål vortex27,28. I en undersøgelse ved hjælp af lignende eksperimentelle teknikker med en anden vægmonteret geometri viste oliefilmvisualisering omkring en overflademonteret terning i konstant flow udført af Martinuzzi og Tropea29 to klare hudfriktionslinjer opstrøms for objektet. Den første hudfriktionslinje svarede til den primære adskillelseslinje forårsaget af den negative trykgradient, og den anden hudfriktionslinje markerede hesteskohvirvelens tidsgennemsnit. Overfladetryksmålinger udført opstrøms for objektet viste et lokalt minimum langs hestesko vortexlinjen og et lokalt tryk maksimum mellem den primære adskillelse og hestesko vortex linjer. Lignende opstrøms adskillelseslinjer dannes med andre overflademonterede geometrier, herunder en cirkulær cylinder, pyramide og kegle29-31. Overfladevisualisering nedstrøms for vægmonterede objekter viser typisk to foci forårsaget af recirkuleringsområdet bag objektet30. To hvirvler genereres på foci positioner og svarer til "arch-type" eller hårnål vortex set i kølvandet på en vægmonteret hemispheroid32.

Partikelbillede velocimetry (PIV) har tidligere været brugt til at studere strømmen nedstrøms af syntetiske vokal fold modeller33-35. PIV er en ikke-invasiv visualiseringsteknik, som billeder flow tracer partikel bevægelse i et plan på at fange spatio-tidsmæssige væske dynamik36. Tredimensionelle sammenhængende strukturer, der danner nedstrøms for de oscillerende vokalfolder, er blevet undersøgt af Neubauer et al. 37; hvirvelgenerering og konvektion og jetflappe blev observeret. For nylig, Krebs et al. 38 undersøgte glottalstrålens tredimensionalitet ved hjælp af stereoskopisk PIV, og resultaterne viser glottal jetakseskift. Erath og Plesniak14 undersøgte effekten af en model vokal fold polyp på mediale overflade af en 7,5 gange skaleret op dynamisk drevet vokal fold model. En recirkulering region blev dannet nedstrøms af polyp og jet dynamik blev påvirket i hele phonatory cyklus. De tidligere undersøgelser, spærring af drevet vokal fold polyp undersøgelse af Erath og Plesniak14, har ikke udforsket væske dynamik induceret af en mediale vokal fold polyp eller knude.

Det er vigtigt at forstå den flydende dynamiske effekt af modellen polyp inden for stabile og pulsatile flow felter, før herunder den ekstra kompleksitet vokal fold bevægelige vægge, induceret tryk gradienter, begrænset geometrisk volumen og andre snørklede. Det nuværende arbejde fokuserer på underskriften af flowstrukturerne på downstream-væggen under både stabile og ustabile strømningsforhold. Samspillet mellem de hvirvlende strukturer, der kastes fra et fremspring og nedstrømsvæggen, er af stor interesse for undersøgelsen af vokalfoldpolypper samt andre biologiske overvejelser, da disse interaktioner fremkalder en biologisk reaktion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

I dette arbejde er en vægmonteret prolate hemispheroid, dvs. en model vokal fold polyp, placeret på testsektionen gulvet i en suge type vindtunnel med en 5:1 sammentrækning ratio. Ustabil, tredimensionel flowadskillelse og dens virkning på vægtrykbelastningen undersøges ved hjælp af oliestrømsvisualisering, vægtryksmålinger og partikelbilledhastighed. De ustabile trykmålinger erhverves ved hjælp af en seksten kanalscanningstryktransducer med piezoristive tryksensorer. Tryksensorerne har en frekvensrespons på 670 Hz. Statiske trykhaner dannet af rørulationer i rustfrit stål er skyllemonteret opstrøms og nedstrøms for modellens vokalfoldpolyp for at lette overfladetryksmålingerne og kortstørkes til scanningstrykenheden. Olie-flow visualisering og overfladetryk målinger kan ikke erhverves samtidigt, fordi olien ville flyde ind i trykhaner forårsager begroning.

Følgende afsnit indeholder protokollen til opsætning og erhvervelse af oliefilmvisualisering og overfladetryksmålinger omkring en vægmonteret prolat hemispheroid. Selvom fasegennemsnit og tidsløste partikelbilledhastighedsmålinger erhverves, er PIV-erhvervelsen ikke inkluderet i denne protokol. Forfatterne foreslår referencer fra Raffel et al. 36 og Adrian og Westerweel39 for en dybdegående forståelse af PIV eksperimentel opsætning, dataindsamling og databehandling.

1. Generer Fremspring(dvs. Model Polyp)

  1. Byg en tredimensionel computerstøttet designmodel (CAD) med den ønskede geometri. Generer modellen vokal fold polyp som en prolate halvkugleformet måler 5,08 cm lang, 2,54 cm bred, og 1,27 cm høj. Monter en 2,54 cm firkantet base, der er 0,64 cm tyk til bunden af modellen vokal fold polyp. Denne base vil blive brugt til at forankre modellen til testsektionsgulvet.
  2. Eksporter 3D CAD-modellen som en STL-fil (stereolithography). STL-filformatet genererer modeloverfladen som en række trekanter. Vælg en passende opløsning for at sikre en glat overflade på modelpolyp. En opløsning på mindst 600 prikker/in anbefales.
  3. Overfør STL-filen til den relevante software, og udskriv STL-filen ved hjælp af en tredimensionel printer med høj opløsning eller en hurtig prototyper med en buildlagsopløsning på mindst 20 μm.
  4. Prøvesektionen for vindtunnelen er ca. 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm med en aftagelig bundplade som vist i figur 1. Mølle et 2,54 cm firkantet hul ca. 0,85 cm dybt ind i vindtunneltestsektionens aftagelige plade for at montere modellens vokalfoldpolyp til test. Hullet skal være placeret i midten af testsektionens bredde og være placeret på det ønskede nedstrømssted til test.

2. Forberedelse til visualisering af olieflow

  1. For at forberede prøvesektionen skal prøvesektionens overflade inde i vindtunnelen dækkes med hvidt klæbemiddelpapir. Forsigtigt placere og glatte klæbepapiret for at sikre, at testsektionsgulvet ikke har nogen stød på grund af luftbobler eller folder i klæbepapiret. Skær et hul i klæbepapiret over det firkantede hul i testsektionsgulvet, så modelpolypankeret kan fastgøres til prøvesektionsvæggen.
  2. Sæt fremspringet (model vokal fold polyp) i ankerpositionen for at forberede test. Se figur 1.
  3. Monter et kamera med høj opløsning over vindtunneltestsektionen. Fokuser kameraet for det valgte synsfelt, herunder modelpolyp og det omgivende testafsnitsområde. Angiv parametrene for kameraanskaffelse til test. En videoindstilling skal bruges til at fange den forbigående del af oliestrømsvisualiseringen, eller hvis ustabile eller pulsatile strømme er af interesse.
  4. Forbered flow-visualisering olie blandingen ved at kombinere baby olie, kopi toner pulver, og petroleum i en 7:1:2 forhold efter volumen. For eksempel: kombiner 35 ml babyolie, 5 ml kopitonerpulver og 10 ml petroleum. Bland babyolie og tonerpulver sammen i en beholder og rør rundt, indtil toneren er helt opløst. Derefter tilsættes petroleum og bland godt.
  5. Blandingen overføres til en sprøjteflaske, så den er nem at anvende på prøvesektionens overflade.

3. Målinger af visualisering af olieflow

  1. Testsektionens overflade rengøres og tørres, inden olieblandingen anvendes.
  2. Brug sprayflasken fyldt med olieblandingen til at sprøjte et tyndt, jævnt væskelag over den del af interessen. Et tyndt, jævnt olieblandingslag er vigtigt for at producere ordentlige billeder af oliefilmvisualisering.
  3. Start billed- eller videoerhvervelsen på kameraet. Begynd kameraopsamlingen, før vindtunnelen tændes, for at fange den første forbigående olieblandingsbevægelse.
  4. Indstil sugevindtunnelen til den ønskede hastighed. Olieblandingen begynder at flyde langs testsektionens overflade.
  5. Når olieblandingen holder op med at flyde og har nået en stabil tilstand(dvs. mønstrene er stationære), eller når den ønskede tid er gået, skal du stoppe kameraoptagelsen og tænde vindtunnelen.
    Bemærk: Video 1 viser olieblandingen, der flyder, indtil en stabil tilstand er nået, og hudens friktionsmønster bliver stationært. I videoen bevæger flowet sig fra venstre mod højre.

4. Forberedelse til måling af overfladetryk

  1. Forbered prøvesektionens gulvoverflade (aftagelig plade) ved at bore huller til montering af rør i rustfrit stål (0,16 cm ydre diameter og 2,54 cm lang) i prøvesektionsgulvet for at bygge statiske trykhaner. Start ved midterlinjen af prolate hemispheroidens ankerposition, bor hullerne på et gitter, der strækker sig over 8,89 cm i den samlede retning og 22,86 cm nedstrøms med 1,27 cm langs gitterafstand og 2,54 cm nedstrøms gitterafstand (se figur 1). De rustfri stålrør har en bule i den ene ende til fastgørelse af fleksible slanger og er lige på den anden ende til montering.
    Bemærk: De statiske trykhaner kan placeres med tættere intervaller for et finere gitter af trykopsamlingssteder.
  2. Monter de rør, der omgiver ankerpositionen på den vægmonterede prolate hemispheroid(dvs. model vokal fold polyp) i den ønskede konfiguration på testsektionsgulvet for at forberede test. Trængslerne skal monteres flugter med prøvesektionsgulvet.
  3. Fastgør stykker af kort fleksibel slange (6,35 cm længde, 0,159 cm indvendig diameter, 0,475 cm udvendig diameter klar polyvinylchloridrør) fra de monterede rør i rustfrit stål til scanningstryktransducermåleportene. Scanningstryktransduceren har 16 trykporte.

5. Erhvervelse af overfladetryksmåling

  1. Tilslut scanningstryktransduceren til en computer, og konfigurer anskaffelsesparametrene ved hjælp af scanningstryktransducersoftwaren. Indstil anskaffelsessoftwaren til at anskaffe data ved 500 Hz i den ønskede varighed af dataindsamlingen.
    Bemærk: Der blev indhentet data ved den maksimale prøveudtagningshastighed for scanningstryktransduceren 500 Hz på grund af de små trykvariationer ved lave svingfrekvenser.
  2. Indstil sugevindtunnelen til den ønskede hastighed.
  3. Begynd erhvervelse af trykmåling. Trykmålingerne kan anskaffes samtidig med den ønskede flowdiagnostikteknik(f.eks.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tidligere arbejde ved hjælp af en 7,5 gange skaleret op dynamisk drevet vokal fold model har vist, at tilstedeværelsen af en geometrisk fremspring, model vokal fold polyp, forstyrrer den normale dynamik glottal jet hele phonatory cyklus. Repræsentative resultater fra den tidligere drevne vokalfoldmodelundersøgelse vises i figur 2 og video 2. Videoen demonstrerer bevægelsen af de drevne vokalfolder, når de skifter fra en konvergent til en divergerende geometri. Vokal fold modeller blev dynamisk drevet på 1,67 Hz med en Reynolds nummer 995 og en Strouhal nummer 1,9 x 10-2. Data blev erhvervet i traverseplanet 7,5 mm neden for polyp ved hjælp af fasegennemsnit partikelbillede velocimetry14. Efterhånden som vokalfolderne begynder at åbne, dannes en konvergent kanal, og der udvikles en gunstig trykgradient. Strømmen begynder at rotere omkring modellen polyp mod slutningen af åbningsfasen, når glottis er på er maksimal bredde og vokal folder er i en parallel konfiguration, og ind i den afsluttende fase. Der dannes to roterende hvirvler som vist i figur 2b og 2c. Som vokal folder tæt, er strømmen tvunget omkring polyp og væk fra den forreste-posterior midterlinjen. Det igangværende arbejde er en undersøgelse af effekten af en vægmonteret halvkugleformet i både stabil og pulsatile cross flow betingelser uden den ekstra kompleksitet af de fysiologiske vokal folder. Foreløbige resultater er opnået for en 2:1 højde-bredde-forhold prolate hemispheroid; Et skematisk af forsøgstestafsnittet vises i figur 1. Modelpolyp blev testet under konstante flowforhold ved Reynolds-numre fra 6.000-9.000; resultaterne af oliestrømsvisualiseringen vises i figur 3 og 4. Figur 3 viser et isometerbillede af modelpolypsen under stabile forhold, hvor strømmen bevæger sig fra venstre mod højre. Den koncentrerede olie linje opstrøms for polyp (til venstre for polyp) og på overfladen af polyp vise adskillelse linjer. Den store koncentrerede olie region lige nedstrøms (til højre) af polyp præsenterer vorticity koncentration noder, som er fastgørelsespunkter for to counter-roterende vortex rør, der danner benene på downstream hårnål vortex. Figur 4 viser en topvisning af en modelpolyp i krydsflow, hvor flowet bevæger sig fra top til bund ved et Reynolds-tal på 9.000. Vedhæftningsnoden er synlig nedstrøms (nedenfor) modellen vokal fold polyp. Olie-flow visualisering resultater for den konstante flow betingelser bekræfte dannelsen af en hestesko vortex system opstrøms for modellen polyp og hårnål hvirvler nedstrøms af fremspring som vist med andre vægmonterede objekter18,24,29,40.

Ustabile strømningsforhold med Reynolds-tallet (baseret på gennemsnitshastigheden på 7,01 m/sek) på 6.300 og et Strouhal-tal på 1,2 x 10-3, resulterer i rumlige og tidsmæssige trykvariationer. Det ustabile flow svinger ± 2,29 m/sek med en frekvens på 0,6 Hz. Figur 5 viser trykmålingerne opstrøms og nedstrøms i løbet af en enkelt oscillatorcyklus. Den røde linje (placeret ved position nummer 3) angiver det sted, hvor det laveste tryk i tilbageløbsområdet er placeret lige under polyp. De individuelle tryktransducerværdier viste sig at ændre sig gennem hele cyklussen, og trykforskellen mellem transducerlokationerne varierede som en funktion af cyklusplaceringen og derfor gennemsnitshastigheden.

Figure 1
Figur 1. Skematisk testsektion for vindtunneler. a.) Fuld testsektion vist med flowindløbet til venstre og udløb til højre. b.) Nærbillede af den aftagelige prøvesektionsgulvplade med en væg med 2:1-højde-bredde-forhold monteret prolate hemispheroid. Klik her for at se større billede.

Figure 2
Figur 2. Velocity felter nedstrøms af en model vokal fold polyp monteret på mediale overfladen af en 7,5 gange skaleret op drevet vokal fold model. Dynamisk drevet vokal fold model skematisk viser fri strøm flow retning. b.) og c.) Tværgående hastighedsfelter to steder under fonatorcyklussen i y-z-flyet ved x = 7,5 mm nedstrøms for en modelpolyp monteret på den mediale overflade. Hastighedsfelterne afbildes som vektorplotter af hastighedsstyrke14. Klik her for at se større billede.

Figure 3
Figur 3. Isometrisk visning af en vægmonteret prolate hemispheroid(dvs. model vokal fold polyp) i cross flow (Re = 9.000). Den primære opstrømsseparationslinje vises som polypens mørke linje opstrøms (til venstre). To vorticitetskoncentrationsnoder er placeret i nær kølvandet på den vægmonterede prolate hemispheroid. Klik her for at se større billede.

Figure 4
Figur 4. Billede af visualisering af olieflow for en prolate hemispheroid i krydsflow (Re=9.000). De mørke linjer, der strækker sig nedstrøms fra siderne af polyp (repræsenterer de ydre grænser for kølvandet) konvergerer indtil fastgørelsespunktet på grund af recirkuleringshvirvelen bag objektet. Placeringen af den primære opstrøms adskillelse linje, halvkugleformet adskillelse linje, vorticity koncentration noder og downstream vedhæftede node er identificeret. Klik her for at se større billede.

Figure 5
Figur 5. Opstrøms- og nedstrømstryksmålinger af en enkelt cyklus af ustabil strøm ved et Reynolds-tal baseret på gennemsnitshastigheden på 6.300 og et Strouhal-nummer på 1,2 x 10-3 over en vægmonteret prolat hemispheroid. Rumlige og tidsmæssige trykforskelle blev observeret blandt de målte tryktransducere. Klik her for at se større billede.

Klik her for at se Video 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.

Klik her for at se Video 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Forståelse af dannelsen og udbredelsen af hvirvlende strukturer fra en geometrisk fremspring og deres efterfølgende virkning på de aerodynamiske belastninger, der driver vokal folddynamik, er nødvendig for at give indsigt og modeller for at fremme behandlingen af vokalfoldpolypper og knuder. Variationerne i aerodynamiske belastninger forårsaget af modelpolyp i dette eksperiment forventes at bidrage til uregelmæssig vokal folddynamik observeret hos patienter med polypper13,41. Det fremtidige arbejde omfatter undersøgelse af den tredimensionale flowadskillelse under ustabile strømningsforhold ved hjælp af partikelbilledhastighed og korrelering af resultaterne med overfladestrømsvisualisering og overfladetrykdata.

Olie-flow visualisering er en nyttig og effektiv teknik til identifikation af overflade topologiske træk såsom hudfriktion linjer og høj og lav hastighed regioner. Klassificeringen af adskillelses- eller fastgørelseslinjer og noder fra overfladestrømvisualisering er et vigtigt skridt i opbygningen af topologiske kort, undertiden kaldet vortexskeleter, af adskillelses- og fastgørelsesområderne for komplekse tredimensionelle strømme baseret på Kritisk Punktteori24,40,42. Da oliestrømsvisualisering primært er en kvalitativ måling, er det vigtigt, at de kvalitative resultater fra oliestrømsvisualiseringen kombineres med de kvantitative resultater fra overfladetrykket og PIV-målingerne. Udviklingen af et topologisk kort er nyttig til at forstå og identificere de tredimensionelle flowstrukturer og forbinde oliestrømsvisualiseringsresultaterne med PIV-måleresultaterne.

Begrænsningerne i olie-flow visualisering teknik omfatter manglende evne til at erhverve samtidige olie-flow visualisering data med overfladetryk måling eller partikel billede velocimetry data, og teknikkens begrænsede evne til at spore ustabilitet og bevægelse i placeringen af kritiske punkter forårsaget af ustabile strømme. Den optimale blanding af olieflowvisualisering afhænger af eksperimentspecifikke parametre for at justere blandingens viskositet og overfladespænding baseret på testhastigheden, det problem, der skal undersøges, og testoverfladeegenskaberne. Det er vigtigt, at olieblandingen begynder at flyde med den ønskede hastighed, og at overfladen efter en rimelig tid skal være relativt tør, mens det stribede overflademønster forbliver. Se Merzkirch26 for en liste over kandidat olier og pigmenter til brug for forskellige betingelser. En forkert blanding, baseret på de specifikke eksperimentelle parametre, kan resultere i enten for meget pigment deponeret på overfladen gulvet, hvilket ikke resulterer i klare striber, eller ikke nok pigment deponeret, hvilket ikke resulterer i en stribe-lignende mønster på alle. Ved påføring af blandingen på testsektionsgulvet fandt forfatterne det bedst at sprøjte blandingen i stedet for at male blandingen på overfladen, en metode, som andre efterforskere har brugt. Maling af blandingen på overfladen resulterede i yderligere stribede linjer på grund af applikationen.

I dette arbejde implementeres overfladeoliefilmvisualiseringsteknikken under konstante strømningsforhold (Video 1). De konstante flowtestforhold resulterer normalt i ekstremt klare billeder på grund af stående strukturer i flowet. Men olie-film visualisering er også udføres i ustabile flow betingelser. Forfatterne er i øjeblikket ved at undersøge, om yderligere oplysninger kan fås fra billeder taget under ustabile flow betingelser og gyldigheden af denne teknik. De ustabile flowtestforhold giver flowfunktioner, der styrker og svækker gennem en enkelt svingningscyklus. Af denne grund erhverves højhastighedsbilleder af den dynamiske olievisualiseringsregion, når vindtunnelen og ustabile generatorer fungerer.

Undersøgelse af tredimensionel flow adskillelse fra en væg monteret halvkugleformet i ustabil flow og den deraf følgende vægtryk i den nærmeste kølvandet vil fundamentalt forbedre vores forståelse af ustabile tre-dimensionelle flow adskillelse. Ud over taleapplikationer har denne teknik mulige anvendelser i styringen af omkostningsale klitter, forbedring af sekundær strøm i varmevekslerdesign, masseoverførsel og vindenergi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde støttes af 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 olie-flow visualisering vokal fold polyp tre-dimensionelle flow adskillelse aerodynamiske tryk belastninger
Undersøgelse af tre-dimensionelle Flow Separation induceret af en model Vocal Fold Polyp
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