Summary
I polipi di piega vocale possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. La separazione tridimensionale del flusso indotta da un polipo modello montato a parete e il suo impatto sul carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la velocimetria dell'immagine delle particelle, la visualizzazione della linea di attrito della pelle e le misurazioni della pressione della parete.
Abstract
Il processo di scambio energetico della struttura dei fluidi per il linguaggio normale è stato studiato ampiamente, ma non è ben compreso per le condizioni patologiche. Polipi e noduli, che sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali, possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. Il nostro laboratorio ha riportato misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle (PIV), nell'ambito di un'indagine su un polipo modello situato sulla superficie mediale di un modello di piega vocale guidato in vitro, che mostrano che una tale anomalia geometrica interrompe notevolmente il comportamento del getto gngolato. Questa regolazione del campo di flusso è una probabile ragione per la grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi. Una comprensione più completa della formazione e della propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica, come un polipo di piega vocale, e la conseguente influenza sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessaria per far avanzare il trattamento di questa condizione patologica. La presente indagine riguarda la separazione tridimensionale del flusso indotta da un emisferoide prolato montato a parete con un rapporto di aspetto 2:1 nel flusso incrociato, cioè un modello di polipo di piega vocale, utilizzando una tecnica di visualizzazione a film d'olio. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo impatto del carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la visualizzazione della linea di attrito cutaneo e le misurazioni della pressione della parete.
Introduction
Le pieghe vocali sono due bande di tessuto che si estendono attraverso le vie aeree vocali. Il linguaggio sonoro viene prodotto quando si ottiene una pressione polmonare critica, forzando l'aria attraverso pieghe vocali addotte. Le pieghe vocali sono composte da molti strati di tessuto e sono spesso rappresentate da un sistema semplificato di copertura corporea a due strati1. La matrice extracellulare, che costituisce la maggior parte dello strato di copertura, è composta da fibre di collagene ed elastina, fornendo caratteristiche di stress-deformazione non lineari, che sono importanti per il corretto movimento delle pieghe vocali1,2. Le forze aerodinamiche conferiscono energia al tessuto delle pieghe vocali ed eccitano oscillazioni autosostenute3. Quando le pieghe vocali oscillano, l'apertura tra di esse, indicata come glottide, forma un orifizio che varia temporaneamente che passa da un convergente a un uniforme e quindi a un passaggio divergente prima di chiudere e ripetere ilciclo 4,6. Le frequenze di vibrazione per il linguaggio normale in genere si estendono rispettivamente a 100-220 Hz nei maschi e nelle femmine, creando un campo di flusso pulsatile che passa attraverso la glottide7. Il processo di scambio energetico a struttura fluida per il linguaggio normale è stato ampiamentestudiato 8-12; tuttavia, l'interruzione di questo processo per alcune patologie non è ben compresa. Le condizioni patologiche delle pieghe vocali possono portare a cambiamenti drammatici nelle loro dinamiche e influenzare la capacità di generare la parola sonora.
Polipi e noduli sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali. Queste anomalie possono influire sulla capacità di comunicazione di un paziente13. Tuttavia, solo di recente l'interruzione del campo di flusso a causa di una protuberanza geometrica come un polipo è stataconsiderata 14. Lo studio ha dimostrato che il "normale" processo di scambio energetico della struttura del fluido del linguaggio è stato drasticamente alterato e che la modifica del campo di flusso era la ragione più probabile della grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi e noduli. Non è stata stabilita alcuna comprensione completa delle strutture di flusso prodotte dalla separazione tridimensionale del flusso da un polipo nel flusso pulsatile. La generazione e la propagazione di strutture vortiche da un polipo, e il loro successivo impatto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale è una componente critica necessaria per far progredire la correzione chirurgica dei polipi nei pazienti.
Mentre la separazione del flusso da un emisferoide montato a parete in flusso costante è statastudiata 15-23, sorprendentemente, ci sono poche informazioni riguardanti la separazione del flusso tridimensionale instabile da un emisferoide su una parete soggetta a condizioni di flusso pulsatili o instabili come si trovano nel discorso. Il lavoro seminale di Acarlar e Smith15 fornì un'analisi delle strutture coerenti tridimensionali generate dal flusso costante su un emisferoide montato a parete all'interno di uno strato limite laminare. Acarlar e Smith identificare due tipi di strutture vorticali. Un vortice a ferro di cavallo in piedi fu formato a monte della protuberanza emisferica e si estese a valle della protuberanza su entrambi i lati. Inoltre, i vortici di forcine venivano periodicamente gettati dall'emisferoide montato a parete sulla scia. Il complesso movimento e la progressione dei vortici a tornanti sono stati studiati e descritti in dettaglio.
Il flusso su una collina assimmetrica sagomata senza intoppi è stato precedentemente studiato in cui sia le misurazioni della pressione statica superficiale che la visualizzazione dell'olio superficiale sono state acquisite su e a valle dell'urto all'interno di un flusso di taglio turbolento. Le tecniche oil-film consentono la visualizzazione delle linee di attrito cutaneo, delle regioni ad alta e bassa velocità e dei punti di separazione e attacco all'interno di un flusso superficiale e sono utili per indagare la scia di un oggetto montato a parete. Per questa tecnica, la superficie di interesse è rivestita con un sottile film di una miscela di based'olio e pigmento di polvere fine (ad esempio lampblack, polvere di grafite o biossido di titanio). Alle condizioni di flusso desiderate, le forze di attrito fanno sì che l'olio si muova lungo la superficie causando il deposito della polvere di pigmento in striature. I punti critici o singolari, luoghi in cui la sollecitazione di taglio è zero o due o più componenti della velocità media sono zero, possono essere classificati dal modello di linea di attrito cutaneo risultante come punti di sella o puntinodali 24-26.
Per la geometria della collina, nessuna singolarità causata dalla separazione è stata trovata a monte; questo è stato attribuito al contorno uniformemente crescente dell'urto, che non ha generato il gradiente di pressione avverso che si verifica con una protuberanza emisferica. Di conseguenza, il flusso è stato trovato per accelerare fino all'apice dell'urto dopo di che, i punti di separazione sella-messa a fuoco instazzati si sono sviluppati poco dopo l'altura dell'urto, come ci si aspetterebbe dalla formazione di un vortice diforcine 27,28. In uno studio che utilizza tecniche sperimentali simili con una diversa geometria montata a parete, la visualizzazione della pellicola ad olio attorno a un cubo montato sulla superficie in flusso costante eseguito da Martinuzzi e Tropea29 mostrava due linee chiare di attrito della pelle a monte dell'oggetto. La prima linea di attrito cutaneo corrispondeva alla linea di separazione primaria causata dal gradiente di pressione avverso e la seconda linea di attrito cutaneo segnava la posizione media nel tempo del vortice a ferro di cavallo. Le misurazioni della pressione superficiale eseguite a monte dell'oggetto hanno mostrato un minimo locale lungo la linea del vortice a ferro di cavallo e una pressione locale massima tra la separazione primaria e le linee del vortice a ferro di cavallo. Simili linee di separazione a monte si formano con altre geometrie montate sulla superficie tra cui un cilindro circolare, una piramide e un cono29-31. La visualizzazione della superficie a valle degli oggetti montati a parete in genere visualizza due fuochi causati dalla regione di ricircolo dietro l'oggetto30. Due vortici sono generati nelle posizioni dei fuochi e corrispondono al vortice "ad arco" o a forno visto sulla scia di un emisferoide montato a parete32.
La velocimetria delle immagini di particelle (PIV) è stata precedentemente utilizzata per studiare il flusso a valle dei modelli di piega vocalesintetica 33-35. PIV è una tecnica di visualizzazione non invasiva in cui le immagini scorrono il movimento delle particelle traccianti all'interno di un piano per catturare la fluidodinamica spazio-temporale36. Strutture coerenti tridimensionali che si formano a valle delle pieghe vocali oscillanti sono state studiate da Neubauer et al. 37 ; generazione di vortici e convezione e sbattere a getto. Recentemente, Krebs et al. 38 ha studiato la tridimensionalità del getto ggonale utilizzando PIV stereoscopico e i risultati dimostrano la commutazione dell'asse del getto ggonale. Erath e Plesniak14 hanno studiato l'effetto di un modello di polipo piega vocale sulla superficie mediale di un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte. Una regione di ricircolo si è formata a valle del polipo e la dinamica del getto è stata influenzata durante tutto il ciclo fonolatorio. Gli studi precedenti, a meno dello studio guidato del polipo a piega vocale di Erath e Plesniak14,non hanno esplorato la fluidodinamica indotta da un polipo o nodulo mediale di piega vocale.
È importante comprendere l'effetto fluidodinamico del polipo modello all'interno di campi di flusso stazionari e pulsatili prima di includere l'ulteriore complessità delle pareti mobili della piega vocale, i gradienti di pressione indotti, il volume geometrico confinato e altre complessità. Il lavoro attuale si concentra sulla firma delle strutture di flusso sulla parete a valle in condizioni di flusso sia stazionarie che instanzate. Le interazioni tra le strutture vortiche che vengono liberate da una sporgenza e la parete a valle sono di grande interesse per l'indagine dei polipi di piega vocale e altre considerazioni biologiche, poiché queste interazioni suscitano una risposta biologica.
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Protocol
In questo lavoro, un emisferoide prolato montato a parete, cioè un polipo a piega vocale modello, è posizionato sul pavimento della sezione di prova di una galleria del vento di tipo aspirazione con un rapporto di contrazione 5:1. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo effetto sul carico di pressione della parete vengono studiati utilizzando la visualizzazione del flusso dell'olio, le misurazioni della pressione delle pareti e la velocimetria delle immagini delle particelle. Le misurazioni della pressione instabili vengono acquisite utilizzando un trasduttore di pressione a scansione a sedici canali con sensori di pressione piezoresitivi. I sensori di pressione hanno una risposta in frequenza di 670 Hz. I rubinetti a pressione statica formati da tubulazioni in acciaio inossidabile sono montati a filo a monte e a valle del modello di polipo di piega vocale per facilitare le misurazioni della pressione superficiale e a corto di piombo al dispositivo di pressione di scansione. La visualizzazione del flusso dell'olio e le misurazioni della pressione superficiale non possono essere acquisite contemporaneamente perché l'olio fluirebbe nei rubinetti di pressione causando incrostazioni.
La sezione seguente fornisce il protocollo per la configurazione e l'acquisizione della visualizzazione della pellicola oleosa e delle misurazioni della pressione superficiale attorno a un emispheroide prolato montato a parete. Sebbene siano state acquisite misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle mediate in fase e a tempo, l'acquisizione del PIV non è inclusa in questo protocollo. Gli autori suggeriscono i riferimenti di Raffel et al. 36 e Adrian e Westerweel39 per una comprensione approfondita della configurazione sperimentale PIV, dell'acquisizione dei dati e dell'elaborazione dei dati.
1. Genera protuberanza(ad esempio polipo modello)
- Creare un modello CAD (Computer-Aided Design) tridimensionale con la geometria desiderata. Genera il polipo di piega vocale del modello come emisferoide prolato lungo 5,08 cm, largo 2,54 cm e alto 1,27 cm. Montare una base quadrata di 2,54 cm che ha uno spessore di 0,64 cm sul fondo del polipo di piega vocale del modello. Questa base verrà utilizzata per ancorare il modello al pavimento della sezione di prova.
- Esportare il modello CAD 3D come file di stereolitografia (STL). Il formato di file STL genera la superficie del modello come una serie di triangoli. Scegliete una risoluzione adeguata per garantire una superficie liscia sul polipo del modello. Si consiglia una risoluzione di almeno 600 punti/in.
- Caricare il file STL nel software appropriato e stampare il file STL utilizzando una stampante tridimensionale ad alta risoluzione o un prototipatore rapido con una risoluzione del livello di costruzione di almeno 20 μm.
- La sezione di prova della galleria del vento è di circa 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm con una piastra inferiore rimovibile, come mostrato nella figura 1. Fresare un foro quadrato di 2,54 cm profondo circa 0,85 cm nella piastra rimovibile del pavimento della sezione di prova della galleria del vento per montare il polipo di piega vocale del modello per il test. Il foro deve essere posizionato al centro della larghezza della sezione di prova ed essere posizionato nella posizione a valle desiderata per il test.
2. Preparazione della visualizzazione del flusso d'olio
- Per preparare la sezione di prova, coprire la superficie della sezione di prova all'interno della galleria del vento con carta adesiva bianca. Posizionare e levigare con cura la carta adesiva per assicurarsi che il pavimento della sezione di prova non abbia urti dovuti a bolle d'aria o pieghe nella carta adesiva. Tagliare un foro nella carta adesiva sopra il foro quadrato nel pavimento della sezione di prova per l'ancora del polipo del modello da attaccare alla parete della sezione di prova.
- Inserire la protuberanza (polipo di piega vocale del modello) nella posizione di ancoraggio per prepararsi al test. Cfr. figura 1.
- Montare una telecamera ad alta risoluzione sopra la sezione di prova della galleria del vento. Mettere a fuoco la fotocamera per il campo visivo scelto, incluso il polipo del modello e l'area della sezione di test circostante. Impostare i parametri di acquisizione della fotocamera per il test. Un'impostazione video deve essere utilizzata per catturare la parte transitoria della visualizzazione del flusso di olio o se i flussi instabilmente o pulsatili sono di interesse.
- Preparare la miscela di olio di visualizzazione del flusso combinando olio per bambini, polvere di toner copia e cherosene in un rapporto 7:1:2 in volume. Ad esempio: unire 35 ml di olio per bambini, 5 ml di polvere di toner copia e 10 ml di cherosene. Mescolare l'olio per bambini e la polvere di toner insieme in un contenitore e mescolare fino a quando il toner non è completamente sciolto. Quindi aggiungere il cherosene e mescolare bene.
- Trasferire la miscela in un flacone spray per una facile applicazione sulla superficie della sezione di prova.
3. Misurazioni della visualizzazione del flusso di olio
- Pulire e asciugare la superficie della sezione di prova prima di ogni applicazione della miscela di olio.
- Utilizzare il flacone spray riempito con la miscela di olio per spruzzare uno strato sottile e uniforme di fluido sulla sezione di interesse. Uno strato sottile e uniforme di miscela di olio è importante per produrre immagini di visualizzazione corrette della pellicola oleosa.
- Avviare l'acquisizione dell'immagine o del video sulla fotocamera. Iniziare l'acquisizione della telecamera prima che la galleria del vento sia acceso per catturare il movimento iniziale della miscela di olio transitorio.
- Impostare la galleria del vento di aspirazione sulla velocità desiderata. La miscela di olio inizierà a fluire lungo la superficie della sezione di prova.
- Una volta che la miscela di olio smette di fluire e ha raggiuntouno stato stazionario (cioè i modelli sono stazionari), o quando è trascorso il tempo desiderato, interrompere la registrazione della telecamera e alimentare la galleria del vento.
Nota: il video 1 mostra la miscela di olio che scorre fino a raggiungere uno stato stazionario e il modello di attrito cutaneo diventa stazionario. Nel video il flusso si sposta da sinistra a destra.
4. Preparazione della misurazione della pressione superficiale
- Preparare la superficie del pavimento della sezione di prova (piastra rimovibile) forando i fori per il montaggio di tubulazioni in acciaio inossidabile (diametro esterno di 0,16 cm e 2,54 cm di lunghezza) nel pavimento della sezione di prova per costruire rubinetti a pressione statica. Partendo dalla linea mediana della posizione di ancoraggio dell'emisferoide prolato, praticare i fori su una griglia che si estende per 8,89 cm nella direzione campata e 22,86 cm a valle con una spaziatura della griglia campentata di 1,27 cm e una spaziatura della griglia a valle di 2,54 cm (vedere figura 1). Le tubulazioni in acciaio inossidabile hanno un rigonfiamento su un'estremità per il fissaggio di tubi flessibili e sono dritte sull'altra estremità per il montaggio.
Nota: i rubinetti a pressione statica possono essere posizionati a intervalli più ravvicinati per una griglia più fine di posizioni di acquisizione della pressione. - Montare le tubulazioni che circondano la posizione di ancoraggio dell'emisferoide prolato montato a parete(cioè il polipo di piega vocale del modello) nella configurazione desiderata sul pavimento della sezione di prova per prepararsi per il test. Le tubulazioni devono essere montate a filo con il pavimento della sezione di prova.
- Attaccare pezzi di tubi flessibili corti (lunghezza 6,35 cm, diametro interno di 0,159 cm, tubi di cloruro di polivinile chiaro di diametro esterno di 0,475 cm) dalle tubulazioni montate in acciaio inossidabile alle porte di misurazione del trasduttore a pressione di scansione. Il trasduttore a pressione di scansione ha sedici porte di pressione.
5. Acquisizione della misurazione della pressione superficiale
- Collegare il trasduttore di pressione di scansione a un computer e configurare i parametri di acquisizione utilizzando il software di trasduttore di pressione di scansione. Impostare il software di acquisizione per acquisire dati a 500 Hz per la durata desiderata dell'acquisizione dei dati.
Nota: I dati sono stati acquisiti alla velocità massima di campionamento del trasduttore di pressione di scansione, 500 Hz, a causa delle piccole variazioni di pressione a basse frequenze di oscillazione. - Impostare la galleria del vento di aspirazione sulla velocità desiderata.
- Inizia l'acquisizione della misurazione della pressione. Le misurazioni della pressione possono essere acquisite simultaneamente con qualsiasi tecnica diagnostica del flusso desiderata(ad esempio PIV, anemometria laser Doppler, anamometria a filo caldo, ecc.)
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Representative Results
Lavori precedenti che utilizzavano un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte ha dimostrato che la presenza di una protuberanza geometrica, modella il polipo di piega vocale, interrompe la normale dinamica del getto gngolato durante tutto il ciclo fonatore. I risultati rappresentativi dello studio del modello di piega vocale guidato in seguito sono visualizzati nella figura 2 e nel video 2. Il video mostra il movimento delle pieghe vocali guidate mentre cambiano da una geometria convergente a una geometria divergente. I modelli di piega vocale erano azionati dinamicamente a 1,67 Hz con un numero di Reynolds di 995 e un numero Strouhal di 1,9 x 10-2. I dati sono stati acquisiti nel piano di attraversamento 7,5 mm a valle del polipo utilizzando la velocimetria dell'immagine delle particelle mediata in fase14. Quando le pieghe vocali iniziano ad aprirsi, si forma un canale convergente e si sviluppa un gradiente di pressione favorevole. Il flusso inizia a ruotare attorno al polipo del modello verso la fine della fase di apertura, quando la glottide è a la massima larghezza e le pieghe vocali sono in configurazione parallela e nella fase di chiusura. Due vortici controrotanti si formano come mostrato nelle figure 2b e 2c. Quando la voce si chiude, il flusso è forzato intorno al polipo e lontano dalla linea mediana anteriore-posteriore. Il lavoro in corso è un'indagine sull'effetto di un emisferoide montato a parete in condizioni di flusso trasversale sia costante che pulsatile senza le complessità aggiunte delle pieghe vocali fisiologiche. I risultati preliminari sono stati acquisiti per un emispheroide prolato prolato 2:1; Nella figura 1 viene visualizzato uno schema della sezione di prova sperimentale. Il polipo modello è stato testato in condizioni di flusso costante a numeri di Reynolds che vanno da 6.000-9.000; i risultati della visualizzazione del flusso d'olio sono visualizzati nelle figure 3 e 4. La figura 3 presenta una vista isometrica del polipo modello in condizioni stazionarie con il flusso che si sposta da sinistra a destra. La linea dell'olio concentrato a monte del polipo (a sinistra del polipo) e sulla superficie del polipo visualizzano le linee di separazione. La grande regione dell'olio concentrato appena a valle (a destra) del polipo presenta i nodi di concentrazione della vorticità che sono i punti di attacco per due tubi a vortice controrotolazione che formano le gambe del vortice a forno a valle. La figura 4 mostra una vista dall'alto di un polipo modello in flusso incrociato con il flusso che si sposta dall'alto verso il basso con un numero di Reynolds di 9.000. Il nodo di attacco è visibile a valle (sotto) il polipo di piega vocale del modello. I risultati della visualizzazione del flusso dell'olio per le condizioni di flusso costante confermano la formazione di un sistema di vortice a ferro di cavallo a monte dei vortici di polipo e forcine modello a valle della protuberanza come mostrato con altri oggetti montati aparete 18,24,29,40.
Condizioni di flusso instazzate, con il numero di Reynolds (basato sulla velocità media di 7,01 m/sec) di 6.300 e un numero di Strouhal di 1,2 x 10-3, si traducono in variazioni di pressione spaziali e temporali. Il flusso instabile oscilla ± 2,29 m/sec ad una frequenza di 0,6 Hz. La figura 5 visualizza le misurazioni della pressione a monte e a valle durante un singolo ciclo oscillatorio. La linea rossa (situata nella posizione numero 3) indica il sito della pressione più bassa nella regione di riflusso direttamente a valle del polipo. I valori dei singoli trasduttori di pressione sono stati trovati cambiare durante tutto il ciclo e la differenza di pressione tra le posizioni dei trasduttori variava in funzione della posizione del ciclo e quindi della velocità media.
Figura 1. Schema della sezione di prova della galleria del vento. a. ) Sezione di prova completa mostrata con l'ingresso del flusso a sinistra e la presa a destra. b.) Schema ravvicinato della piastra del pavimento della sezione di prova rimovibile con un emispheroide prolato prolato montato a parete 2:1. Clicca qui per visualizzare l'immagine più grande.
Figura 2. Campi di velocità a valle di un modello di polipo piega vocale montato sulla superficie mediale di un modello di piega vocale scalato 7,5 volte ridimensionato. a.) Schema del modello di piega vocale guidato dinamicamente che visualizza la direzione del flusso libero. b.) e c.) Campi di velocità trasversali a due istanti durante il ciclo fonolatore nel piano y-z a x = 7,5 mm a valle di un polipo modello montato sulla superficie mediale. I campi di velocità sono tracciati come grafici vettoriali di magnitudine di velocità14. Clicca qui per visualizzare l'immagine più grande.
Figura 3. Vista isometrica di un emisferoide prolato montato a parete(cioè polipo di piega vocale modello) in flusso trasversale (Re = 9.000). La linea di separazione a monte primaria viene visualizzata come la linea scura a monte (a sinistra) del polipo. Due nodi di concentrazione di vorticità si trovano nella scia vicina dell'emisferoide prolato montato a parete. Clicca qui per visualizzare l'immagine più grande.
Figura 4. Immagine di visualizzazione del flusso di olio per un emisferoide prolato nel flusso incrociato (Re=9.000). Le linee scure che si estendono a valle dai lati del polipo (che rappresentano i limiti esterni della scia) convergono fino al punto di attacco, a causa del vortice di ricircolo dietro l'oggetto. Vengono identificate le posizioni della linea primaria di separazione a monte, della linea di separazione emisferoide, dei nodi di concentrazione della vorticità e del nodo di attacco a valle. Clicca qui per visualizzare l'immagine più grande.
Figura 5. Misurazioni della pressione a monte e a valle di un singolo ciclo di flusso instabile ad un numero di Reynolds basato sulla velocità media di 6.300 e un numero di Strouhal di 1,2 x 10-3 su un emisferoide prolato montato a parete. Sono state osservate differenze di pressione spaziale e temporale tra i trasduttori di pressione misurati. Clicca qui per visualizzare l'immagine più grande.
Clicca qui per visualizzare video 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.
Clicca qui per visualizzare Video 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.
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Discussion
Comprendere la formazione e la propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica e il loro successivo effetto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessario per fornire informazioni e modelli al fine di far avanzare il trattamento di polipi e noduli di piega vocale. Le variazioni nei carichi aerodinamici causate dal polipo modello in questo esperimento dovrebbero contribuire alla dinamica irregolare della piega vocale osservata nei pazienti con polipi13,41. Il lavoro futuro include lo studio della separazione tridimensionale del flusso in condizioni di flusso instabile utilizzando la velocimetria dell'immagine delle particelle e correlando i risultati con la visualizzazione del flusso superficiale e i dati sulla pressione superficiale.
La visualizzazione del flusso di olio è una tecnica utile ed efficace per l'identificazione di caratteristiche topologiche superficiali come linee di attrito cutaneo e regioni ad alta e bassa velocità. La classificazione delle linee di separazione o di attacco e dei nodi dalla visualizzazione del flusso superficiale è un passo importante nella costruzione di mappe topologiche, a volte chiamate scheletri a vortice, delle regioni di separazione e attacco di flussi tridimensionali complessi basati sulla teoria dei punticritici 24,40,42. Poiché la visualizzazione del flusso di olio è principalmente una misurazione qualitativa, è essenziale che i risultati qualitativi della visualizzazione del flusso di olio siano abbinati ai risultati quantitativi della pressione superficiale e delle misurazioni PIV. Lo sviluppo di una mappa topologica è utile per comprendere e identificare le strutture di flusso tridimensionali e collegare i risultati della visualizzazione del flusso di olio ai risultati della misurazione PIV.
I limiti della tecnica di visualizzazione del flusso di olio includono l'incapacità di acquisire dati simultanei di visualizzazione del flusso di olio con la misurazione della pressione superficiale o i dati di velocitàmetria dell'immagine delle particelle e la limitata capacità della tecnica di tenere traccia dell'instabilità e del movimento nella posizione dei punti critici causati da flussi instagnati. La miscela ottimale di visualizzazione del flusso di olio dipende da parametri specifici dell'esperimento per regolare la viscosità e la tensione superficiale della miscela in base alla velocità di prova, al problema da esaminare e alle caratteristiche della superficie di prova. È importante che la miscela di olio inizi a fluire alla velocità desiderata e che, dopo una ragionevole quantità di tempo, la superficie sia relativamente asciutta con il modello di superficie striata rimanente. Fare riferimento a Merzkirch26 per un elenco di oli e pigmenti candidati da utilizzare per varie condizioni. Una miscela errata, basata sui parametri sperimentali specifici, può causare o troppo pigmento depositato sul pavimento della superficie, che non si traducono in striature chiare, o non abbastanza pigmento depositato che non si traducono in un modello simile a una striscia. Quando si applica la miscela al pavimento della sezione di prova, gli autori hanno trovato meglio spruzzare la miscela invece di dipingere la miscela sulla superficie, un metodo utilizzato da altri ricercatori. La verniciatura della miscela sulla superficie ha comportato ulteriori linee striato a causa dell'applicazione.
In questo lavoro, la tecnica di visualizzazione olio-film di superficie viene implementata in condizioni di flusso costante (Video 1). Le condizioni di test del flusso costante normalmente si traducono in immagini estremamente chiare a causa delle strutture in piedi nel flusso. Tuttavia, la visualizzazione di pellicole oleosi viene eseguita anche in condizioni di flusso instastate. Gli autori stanno attualmente studiando se è possibile ottenere ulteriori informazioni dalle immagini acquisite in condizioni di flusso instabili e sulla validità di questa tecnica. Le condizioni di test del flusso instazzate producono caratteristiche di flusso che si rafforzano e si indeboliscono durante un singolo ciclo di oscillazione. Per questo motivo, le immagini ad alta velocità della regione dinamica di visualizzazione del petrolio vengono acquisite mentre la galleria del vento e i generatori di instabilità sono in funzione.
Studiare la separazione tridimensionale del flusso da un emisferoide montato a parete in un flusso instabile e le pressioni della parete risultanti nella scia vicina miglioreranno fondamentalmente la nostra comprensione della separazione del flusso tridimensionale instabile. Oltre alle applicazioni vocali, questa tecnica ha possibili applicazioni nella gestione delle dune di sabbia costali, miglioramento del flusso secondario nella progettazione dello scambiatore di calore, trasferimento di massa ed energia eolica.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 e 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 |
References
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