研究模型声带息肉引起的三维流动分离

以下实验的总体目标是研究由声带息肉模型引起的三维流动分离现象。通过将一个长宽比为2:1的半椭球体安装在风洞测试段中，模拟壁面附着的突起物（如息肉或结节），从而实现这一目标。第二步，采用油流可视化技术，以显示表面流动中的壁面摩擦线以及分离点和附着点。

接下来，采集壁面安装的突起物周围非定常表面压力测量数据。为了量化模型息肉周围壁面压力载荷，结合粒子图像测速对称性数据的结果显示，存在马蹄形涡旋、发卡涡旋以及模型声带息肉周围的时空压力载荷，这些因素预计会促成临床上患有息肉或结节等病理性病变患者所观察到的声带不规则动力学行为。该方法可为病理性声带疾病的流体动力学机制提供深入见解。

它还可应用于其他系统，如血流与狭窄动脉、海岸沙丘管理、二次流动、换热器以及风能应用。通常，初次接触该方法的人员可能难以确定适用于其特定测试条件的正确油基混合物。要构建模型声带息肉，首先需建立一个三维计算机辅助设计（CAD）模型息肉。

作为一个长球形的半球体，在模型声带息肉的底部添加一个方形基底，用于将模型固定在测试段的底部。将3D CAD模型导出为立体光刻（STL）文件。选择至少600 dpi的分辨率，以确保模型息肉表面光滑。

将STL文件导入相应的软件，并使用高分辨率3D打印机或快速成型机进行打印。当构建层分辨率至少达到20微米时，该息肉模型即可准备安装至风洞中。风洞测试段设有可拆卸的底板，底板上沿展向中心线及指定的下游位置开有方形孔。

该孔用于安装模型声带息肉。为准备油流测试，需用白色粘性纸覆盖风洞测试段的内表面。小心地铺设粘性纸，确保因气泡导致的褶皱或凸起均不存在。

在测试段地板上方的方形孔对应的粘性纸上切一个孔。然后将可拆卸的底板重新安装到测试段中。现在将模型息肉插入锚定位置。

为使用安装在风洞测试段上方的高分辨率相机进行测试做准备，需调整相机焦距，使其视场包含模型息肉及周围的测试段区域。将相机设置为采集图像或视频。通过按7:1:2的体积比混合婴儿油、复印碳粉和煤油，配制用于流动显示的油性混合物。

将婴儿油和定影粉在容器中混合，搅拌数秒，直至定影粉完全溶解。然后加入煤油并混合均匀。将混合物转移至喷雾瓶中，以便于将其均匀喷洒在测试区域表面。

在涂抹油混合物之前，先用清水清洁测试区域的表面，并用纸巾擦干。然后静置风干几分钟。使用装有油混合物的喷雾瓶，在模型声带息肉周围区域均匀喷洒一层薄而均匀的液体。

均匀的薄油层对于制备合适的油膜至关重要。油膜可视化图像用于启动相机的图像或视频采集，相机采集应在风洞开启之前开始。

为了捕捉初始瞬态油混合物流动过程，启动吸气式风洞并调节至所需速度。油混合物将开始沿试验段表面流动。当油混合物流动停止并达到稳定状态（表现为图案静止不动），或达到预定时间后，停止摄像记录，并关闭风洞以施加静压。

轻敲测试段底面。从模型息肉锚定位的中线开始，在可拆卸板上钻孔，形成一个横跨8.89厘米宽、向下游延伸22.86厘米的网格图案。然后将不锈钢标片以所需构型安装到模型息肉周围的孔中。

一端带有凸起用于连接软管，另一端为直管用于安装。正确安装后，该部件与试验段底面齐平。接下来，连接短段透明柔性聚氯乙烯管，将已安装的不锈钢部件与扫描压力传感器测量端口相连。

扫描压力传感器有16个压力端口。通过将扫描压力传感器连接到计算机，并使用扫描压力传感器软件配置采集参数，开始表面压力数据采集。将采集软件设置为以500赫兹的频率采集数据，持续时间为所需的数据采集时长。

接下来，将吸力风洞设定至所需流速。然后开始采集压力测量数据。压力测量可与任何所需的流动诊断技术同步进行。

例如，粒子图像测速激光、多普勒血管对称性以及热线风速仪。该模型息肉在雷诺数为9,000的稳态流动条件下进行了测试。主要的上游分离线显示为息肉上游的深色线条。

在息肉附近尾流区域有两个涡量集中节点，这两个节点是下游发卡涡旋“腿”部所连接的两个反向旋转涡管的附着点。图中显示的是一个模型息肉在雷诺数为9,000的横向流中的油流可视化图像。从息肉两侧向下游延伸的深色线条代表尾流的外边界，由于物体后方存在回流涡旋，这些线条逐渐汇聚至附着点。

稳态流动条件下油流可视化结果显示，在模型息肉上游形成了马蹄涡系统，而在息肉下游则形成了发夹涡。此处展示了单个振荡周期内的上游和下游压力测量结果。位于位置编号三的红线表示息肉正下游回流区域中压力最低的位置。

各个压力传感器的数值在周期过程中发生变化，且传感器位置之间的压力差随周期位置以及相应的平均流速而变化。以下是一项相关研究，该研究使用了驱动模型声带和壁挂式模型声带息肉。流体流动方向为从屏幕中流出。

彩色箭头显示了声带开始打开时速度大小的矢量图。此时形成一个收敛通道，并产生有利的压力梯度。气流经过息肉后朝向中线方向流动。

当声门达到最大宽度并呈现平行构型时，会形成两个反向旋转的流向涡旋。随着声带闭合，气流被迫绕过息肉并向前后中线外侧偏移。一旦掌握，若操作得当，该技术可在数分钟内完成。观看本视频后，您应能充分理解如何获取油流可视化数据，这些数据可用于识别表面摩擦线、高速与低速区域，并构建复杂三维流动的拓扑图。