Gli autori vorrei ringraziare Hong Kong Research Grants Council (no. GRF526913), Hong Kong innovazione e tecnologia della Commissione (no. ITS/334/15FP) e noi ufficio di navale ricerca globale (no. N00014-16-1-2161) per il sostegno finanziario.

1. Wind Tunnel Setup
<ol><li>Modello ad ala Delta
	<ol>
<li>Costruire un modello ad ala delta da alluminio, con un angolo di sweep φ di 75 °, una lunghezza di corda c di 280mm, una radice span b di 150 mm e uno spessore di 5 mm. Hanno entrambi bordi smussati a 35° per fissare il punto di separazione17 (Vedi Figura 1a).</li>
	</ol></li>
	<li>Struttura di Galleria del vento
	<ol>
<li>Condurre esperimenti in galleria del vento bassa velocità circuito chiuso, con una sezione di test di 2,4 m (lunghezza) × 0,6 m (larghezza) × 0,6 m (altezza) che è attrezzata con pareti di vetro che consentono l'accesso ottico durante gli esperimenti. L'intensità turbolenta di un tale impianto deve essere inferiore a 0,4%. Nota: In questo studio, abbiamo usato una galleria del vento presso l'Hong Kong Polytechnic University con caratteristiche di cui sopra. Inoltre, la velocità di freestream U∞ ha variato da 2,64 m/s a 10.56 m/s, corrispondente a un numero di Reynolds, Re, da 5 × 104 a 2 × 105, basato sulla lunghezza della corda dell'ala delta, che è la gamma di volo tipica per un veicolo aereo senza equipaggio (UAV).</li>
		<li>Se necessario, è possibile utilizzare tre diversi regimi (Vedi Figura 1b-d) del foglio laser e telecamere per osservare le strutture di flusso in sezione longitudinale, sezione trasversale span-wise e la sezione trasversa. Schemi del setup sono mostrati in Figura 1b. Nota: Questo protocollo dimostra l'installazione e la misurazione nella sezione trasversale longitudinale in dettaglio.</li>
	</ol></li>
	<li>Installare l'ala di delta
	<ol>
<li>Fissare il bordo d'uscita dell'ala di delta il pungiglione, che è su una guida di movimento circolare utilizzata per regolare l'angolo di attacco (AoA), α. Il centro della Guida circolare è sulla linea centrale della sezione di prova di Galleria del vento. Così, il centro dell'ala delta può sempre essere al centro della sezione test. Regolare il AoA a α = 34 °.</li>
		<li>Regolare attentamente il modello ad ala delta per minimizzare qualsiasi angolo di imbardata e rullo di angolo, controllando le letture di un misuratore di angolo e un livello laser a tre assi. Nello studio corrente, l'incertezza di questi due angoli è minore di 0,1 °.</li>
	</ol></li>
	<li>Impostare il foglio di laser
	<ol>
<li>Utilizzare due laser separatamente per illuminare le strutture di flusso per la misura di PIV e visualizzazione del flusso di fumo.<ol>
<li>Per la misura di PIV, utilizzare un doppio impulso laser, con una lunghezza d'onda di 532 nm e un'energia massima di 600 mJ (regolabile) per ogni impulso. Controllare con un programma di sincronizzazione con transistor-transistor logic (TTL) segnali (cfr. Figura 1b).</li>
			<li>Per la visualizzazione del flusso di fumo, utilizzare un laser continuo con una lunghezza d'onda di 532 nm e una potenza di 1 w. Questo laser continuo funziona in modo indipendente. Durante l'installazione di installazione, è necessario utilizzare un filtro a densità neutra con 10% di trasmittanza per filtrare il fascio laser per la sicurezza.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Indossare occhiali di protezione laser appropriato.</li>
		<li>Regolare lo specchio di riflessione per introdurre il raggio laser nella galleria del vento. L'angolo tra l'asse di luce laser e lo specchio è <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq1.jpg"> </img>, per fare il raggio laser normale alla superficie di ala a delta. Assicurarsi che il raggio laser viene intorno la posizione x/c ≅ 0,25, che più tardi sarà il centro del campo visivo (FOV).</li>
		<li>Installare ottica laser (con il laser continuo, in un primo momento) per formare il foglio di laser, come mostrato in Figura 1b. La lente convessa è utilizzata per controllare la dimensione del fascio laser (anche lo spessore del foglio). La lente cilindrica espande il raggio laser in un foglio di laser. Nota: In questo studio, la lunghezza focale della lente cilindrica è di 700 mm e il diametro della lente cilindrica è 12 mm.</li>
		<li>Verifica dello spessore del foglio laser misurando la linea laser sul modello. Se lo spessore di lamiera laser non è adatto, regolare la posizione della lente convessa (qui, circa 1 mm, con un efficace larghezza della lamiera laser nel tratto di prova di circa 100 mm). Si noti che lo spessore della lamiera laser dipende 1) la componente di velocità nella direzione normale per il foglio di laser e 2) l'intervallo di tempo tra la coppia di istantanee in misura di PIV.</li>
		<li>Mettere una piastra di segnale di calibrazione sull'ala di delta, con la sua superficie coincidente al foglio di laser. Questo passaggio è essenziale perché il FOV nello studio corrente non è ortogonale alla coordinata di Galleria del vento.</li>
	</ol></li>
	<li>Installazione della telecamera
	<ol>
<li>Spegnere il laser quando si imposta la fotocamera. Come con i laser, è possibile utilizzare due telecamere per ogni parte separata di questo esperimento:<ol>
<li>Per la misura di PIV, utilizzare una telecamera CCD ad alta velocità con una risoluzione di 2048 × 2048 pixel. Questa fotocamera è controllato dal sincronizzatore e il polso dual laser (cfr. Figura 1b). Dati in questa fotocamera saranno trasmessi direttamente al computer.</li>
			<li>Per la visualizzazione del flusso di fumo, è necessario utilizzare una fotocamera digitale commerciale con una risoluzione snapshot di 4.000 × 6.000 pixel e una risoluzione di registrazione video 50 Hz di 720 × 1280 pixel durante la visualizzazione di portata fumi. Esso sarà gestito manualmente.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Spostare la posizione della fotocamera (fotocamera digitale e commerciale, in un primo momento) per ottenere il desiderato FOV. Regolare l'obiettivo della fotocamera di concentrarsi sulla piastra di target di calibrazione. Assicurarsi che l'intero campo è focalizzato. In caso contrario, le coordinate della fotocamera potrebbero non essere ortogonali alla piastra di target di calibrazione. Quindi, regolare la fotocamera posiziona attentamente18.</li>
		<li>Prendere diversi frame dopo che la fotocamera è ben impostata. Più tardi, queste cornici della piastra calibrazione destinazione verranno utilizzate per calibrare il fattore di scala tra la dimensione reale e il pixel del fotogramma e per individuare la posizione di riferimento nella coordinata xyz. Quindi, rimuovere la piastra di segnale di calibrazione.</li>
	</ol></li>
	<li>Attivare la Galleria del vento a bassa velocità (ad es., 3 m/s) e iniettare particelle di olio nella galleria del vento. Impostare la pressione del generatore di aerosol a 2,5 bar e farlo funzionare per 30 s per il metodo di visualizzazione del flusso pre-seminato. Dopo questo, l'intera galleria del vento sarà essere uniformemente seminata con particelle di olio ad un normale diametro di circa 1 µm. Nota: In questo studio, la concentrazione di densità delle particelle di olio stimato nella galleria del vento è circa <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq2.jpg"> nella visualizzazione Portata fumi; così, la variazione complessiva di densità di flusso in galleria del vento è <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq3.jpg"> </img>.</li>
	<li>Installazione del software di PIV
	<ol>
<li>Controllare il sistema PIV con il software PIV (Vedi tabella materiali). Questo software può comandare il sincronizzatore per inviare segnali TTL per il laser e la macchina fotografica, come mostrato in Figura 1b.</li>
		<li>Impostare la frequenza di campionamento a 5 Hz, con un numero di campionamento totale di 500. L'intervallo di tempo tra i fotogrammi PIV è 80 µs. nota che l'intervallo di tempo dipende dalla dimensione della velocità del flusso e FOV. Assicurarsi che le zone di interrogatorio in due fotogrammi hanno circa una sovrapposizione del 50-75%.</li>
	</ol></li>
</ol>2. esecuzione dell'esperimento
<ol><li>
Migliorata la visualizzazione del flusso di fumo
	<ol>
<li>Attivare la Galleria del vento alla velocità desiderata freestream (U = 2,64 m/s). Eseguirlo per 10 min stabilizzare la velocità di freestream. Al Re = 50.000, la velocità di freestream è U = 2,64 m/s.</li>
		<li>Accendere il laser continuo. Utilizzare la fotocamera digitale per catturare istantanee di 5-10 della struttura flusso.</li>
		<li>Verifica se il foglio di laser è a sezione trasversale longitudinale del nucleo LEV (Vedi la tipica struttura illustrata nella Figura 3). In questo caso, contrassegnare questa posizione sul modello ala delta come riferimento per la misurazione di PIV successiva; in caso contrario, modificare la posizione del laser foglio regolando la lente ottica e reimpostare la calibrazione come segue 1.4.6 - 1.5.3.</li>
		<li>Rivedere quelle immagini e controllare la messa a fuoco e luminosità. Se la qualità dell'immagine non è soddisfacente, è possibile regolare il diaframma dell'obiettivo o l'impostazione ISO.</li>
		<li>Prendere più istantanee (in genere circa 20) e video (circa 40 s) con opportuna configurazione. Disattivare il laser e trasferire i dati al computer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Misurazione di PIV
	<ol>
<li>Base alla posizione di riferimento conosciuta dal passaggio 2.1.3 e i risultati delle istantanee dal punto 2.1.5, scegliere una regione interessante (x/c≈ 0,3) come il FOV, dove possono essere osservate vortical sottostrutture. Sostituire il laser continuo e fotocamera digitale con il doppio impulso laser e telecamera CCD per la misurazione di PIV.</li>
		<li>Ripetere i passaggi 1.4.6 - 1.5.3 per registrare la taratura per la misura di PIV.</li>
		<li>Attivare la Galleria del vento alla velocità desiderata freestream, U = 2,64 m/s. eseguirlo per 10 minuti assicurare che la velocità di freestream è stabile.</li>
		<li>Regolare il laser doppio impulso per il massimo livello di potenza e stand by. Utilizzare il software per avviare l'acquisizione di dati per 100 s. Una volta terminata la registrazione di dati, spegnere la testa del laser.</li>
		<li>Rivedere le immagini acquisite nel software e controllare la distribuzione del foglio di laser, la densità di particelle (solitamente 6-10 particelle in ogni area di interrogazione desiderata), la messa a fuoco e lo spostamento delle particelle tra i fotogrammi doppi (25-50% dell'interrogatorio zona).</li>
		<li>Se la qualità delle immagini è soddisfacente, come descritto al punto 2.2.5., salvare i dati sul disco rigido del PC ed eseguire altri casi ripetendo i passaggi sopra riportati. In caso contrario, ripetere i passaggi da 1.7 e 2.2 e regolare attentamente il programma di installazione.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. elaborazione dei dati
<ol><li>
Migliorata la visualizzazione con il fumo Nota: La seguente procedura, 3.1.1-3.1.4, vengono effettuate automaticamente tramite codice MATLAB (vedere il File di codifica supplementare).<ol>
<li>Trasformare il video in una sequenza di fotogrammi. Convertire i fotogrammi dal modulo RGB in scala di grigi. Ruotare la cornice per rendere la superficie dell'ala di delta orizzontale. Scegli l'area di interesse per l'elaborazione successiva (Figura 2a).</li>
		<li>Regolare la luminosità e il contrasto per evidenziare la struttura del flusso. Applicare una soglia adattiva per trasformare l'immagine in grigio per un'immagine binaria (Figura 2b).</li>
		<li>Sommare i valori binari in ogni colonna e trovare la posizione in cui la somma cambia improvvisamente. Questa posizione è la posizione di ripartizione di vortice (Figura 2C).</li>
		<li>Registrare le posizioni di ripartizione di vortice e loro tempi corrispondenti. La storia di tempo dell'oscillazione ripartizione così possa essere ottenuta.</li>
		<li>Utilizzare il fattore di scala di dimensioni di pixel-real (misurato dalle immagini con la piastra di segnale di calibrazione nel passaggio 1.5.3) per trasformare la storia di tempo da pixel a dimensione reale e per identificare la posizione di riferimento. Tracciare la storia di tempo dell'oscillazione del guasto.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Misurazione di PIV
	<ol>
<li>Eseguire il software PIV. Utilizzare le immagini acquisite nel passaggio 2.2.2 per impostare il fattore di scala e la posizione di riferimento delle coordinate. Pre-elaborare i dati acquisiti attraverso la libreria di elaborazione di immagini per evidenziare le particelle e ridurre rumore18.</li>
		<li>Utilizzare il metodo di zona di interrogatorio adattivo con una dimensione di griglia minima di 32 × 32 pixel e una sovrapposizione minima del 50%. Scegliere l'area dell'immagine e impostare una convalida di 3x3 vettoriale per il cross-correlazioni adattive.</li>
		<li>Il risultato è dato come un campo di vettore di velocità, in cui i vettori blu sono i vettori corretti, quelle verdi sono i vettori sostituiti e quelli rossi sono vettori male.</li>
		<li>Applicare il 3 x 3 media convalida metodo per stimare la velocità locale confrontando i vettori nella sua zona commovente. Sostituire vettori che si discostano troppo da loro vicini con la media dei loro vicini.</li>
		<li>Calcolare le statistiche di vettore nelle mappe di velocità per ottenere le caratteristiche di flusso nella storia di tempo, ad esempio, la velocità media, la deviazione standard e la cross-correlazione tra componenti di velocità. Calcolare i derivati scalari dalla mappa vettoriale per illustrare le funzionalità interne del campo di flusso, ad esempio, la vorticità, sollecitazioni di taglio e forza vorticoso.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow visualization: Techniques and examples. , (2012).</li><li>Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low-speed wind tunnel testing. , (1999).</li><li>Merzkirch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow visualization. , (1987).</li><li>Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).</li><li>Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. 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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questo articolo presenta i due metodi di visualizzazione del flusso, la visualizzazione migliorato flusso di fumo e la misurazione PIV, per indagare la struttura del flusso sopra l'ala di delta qualitativamente e quantitativamente. Le procedure generali dell'esperimento sono descritte passo per passo. Le configurazioni di questi due metodi sono quasi gli stessi, mentre i dispositivi coinvolti sono diversi. Il principio di base di questi metodi di visualizzazione del due flusso è quello di illuminare le particelle nel fl...

Misurazione del campo di flusso tramite tecniche di visualizzazione è una metodologia di base in ingegneria fluida. Tra le tecniche di visualizzazione differenti, fumo filo visualizzazione del flusso in esperimenti di Galleria del vento e la visualizzazione di tintura in esperimenti di tunnel di acqua sono il più ampiamente usato per illustrare strutture di flusso qualitativamente. PIV e laser Doppler anemometria (LDA) sono due tecniche quantitative tipico1.
Nella visualizzazione del flusso di filo di fumo, fumo streaklines generati da goccioline di olio su un filo di riscaldamento o iniettato dal generatore di fumo/contenitore esterno durante gli esperimenti. Ad alta potenza luci o laser fogli vengono utilizzati per illuminare il fumo streaklines. Immagini vengono quindi registrate per ulteriori analisi. Si tratta di un semplice ma molto utile flusso visualizzazione metodo2. Tuttavia, l'efficacia di questo metodo può essere limitata da vari fattori, come la breve durata di fili di fumi, il campo di flusso tridimensionale complessa, la relativamente elevata velocità del flusso e l'efficienza della generazione del fumo3.
Misure PIV, una sezione trasversale di un campo di flusso con particelle trascinate è illuminata da un foglio di laser, in posizioni istantanee delle particelle in questa sezione vengono catturati da una telecamera ad alta velocità. All'interno di un intervallo di tempo piccole estremamente, viene registrato un paio di immagini. Dividere le immagini in una griglia delle zone di interrogatorio e calcolando il moto medio delle particelle nelle zone di interrogatorio attraverso funzioni di correlazione incrociata, la mappa di vettore velocità istantanea in questo spaccato osservato possa essere ottenuta. Tuttavia, è anche noto che è necessario raggiungere compromessi per fattori tra cui la dimensione della finestra di osservazione, la risoluzione della mappa velocità, la grandezza di velocità nel piano, l'intervallo di tempo tra la coppia di immagini, la velocità ortogonale grandezza e la densità delle particelle4. Di conseguenza, molti esperimenti esplorativi è necessario per ottimizzare le impostazioni sperimentali. Sarebbe costoso e richiede tempo per indagare un campo sconosciuto e complesso flusso con PIV misura solo5,6. Considerando le preoccupazioni di cui sopra, una strategia per combinare PIV misura e visualizzazione del flusso di fumo viene proposto e dimostrata qui per studiare il flusso complesso sopra un'aletta di delta.
Numerosi studi di LEV scorre sopra Ali a delta sono stati condotti7,8, con tecniche di visualizzazione del flusso utilizzati come strumenti primari. Sono stati osservati molte interessanti fenomeni di flusso: tipo di spirale e bolla tipo vortice guasti9,10, un taglio instabile strato sottostruttura11,12, oscillazioni delle posizioni di ripartizione LEV13 , e gli effetti del beccheggio e imbardata angoli14,15,16 sulle strutture di flusso. Tuttavia, i meccanismi di fondo di alcuni fenomeni instabili nei flussi ala delta rimangono poco chiari7. In questo lavoro, la visualizzazione del flusso fumo è migliorata usando le stesse particelle semina utilizzate nella misurazione di PIV, invece di un filo di fumo. Questo miglioramento semplifica l'operazione di visualizzazione e aumenta la qualità delle immagini. Sulla base dei risultati dalla visualizzazione migliorata Portata fumi, misura PIV si concentra su quei campi di flusso di interesse ad acquisire le informazioni quantitative.
Qui, viene fornita una descrizione dettagliata per spiegare come condurre un esperimento di visualizzazione del flusso in una galleria del vento e per indagare su fenomeni di moto vario sopra un ala di delta. Due metodi di visualizzazione, la visualizzazione del flusso di fumo migliorata e la misurazione di PIV, utilizzati insieme in questo esperimento. La procedura include istruzioni dettagliate per la regolazione di installazione e parametro del dispositivo. I risultati tipici sono dimostrati per mostrare il vantaggio di combinare questi due metodi per misurare il campo di flusso complesso spazialmente e temporalmente.

<table><tbody><tr><td>532 nm Nd:YAG laser</td><td>Quantel Laser</td><td>Evergreen 600mJ</td><td></td></tr><tr><td>High speed camera</td><td>Dantec Dynamic</td><td>HiSense 4M</td><td></td></tr><tr><td>camera lens</td><td>Tamron</td><td>SP AF180mm F/3.5 Di</td><td></td></tr><tr><td>PIV recording and processing software</td><td>Dantec Dynamic</td><td>DynamicStudio</td><td></td></tr><tr><td>cylindrical lens</td><td>Newport</td><td></td><td>&amp;Phi;=12 mm</td></tr><tr><td>convex lens</td><td>Newport</td><td></td><td>f=700 mm</td></tr><tr><td>neutral density filter</td><td>Newport</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Calibration target</td><td></td><td></td><td>custom made</td></tr><tr><td>aerosol generator</td><td>TSI</td><td>TSI 9307-6</td><td></td></tr><tr><td>PULSE GENERATOR</td><td>Berkeley Nucleonics Corp</td><td>BNC 575</td><td></td></tr><tr><td>continuous laser</td><td></td><td>APGL-FN-532-1W</td><td></td></tr><tr><td>Digital camera</td><td>Nikon</td><td>Nikon D5200</td><td></td></tr><tr><td>Image processing</td><td>Matlab</td><td></td><td>custom code</td></tr><tr><td>wind tunnel support</td><td></td><td></td><td>custom made</td></tr><tr><td>laser level</td><td>BOSCH</td><td>GLL3-15X</td><td></td></tr><tr><td>angle meter</td><td>BOSCH</td><td>GAM220</td><td></td></tr></tbody></table>

experimental investigation of the flow structure over a delta wing via flow visualization methods

È noto che il campo di flusso sopra un ala di delta è dominato da una coppia di vortici di contatore rotante leading edge (LEV). Tuttavia, il loro meccanismo non è buono capito. La tecnica di visualizzazione del flusso è un promettente metodo non intrusivo per illustrare il campo di flusso complesso spazialmente e temporalmente. Una configurazione di visualizzazione del flusso di base è costituito da un laser ad alta potenza e lenti ottiche per generare il foglio di laser, una fotocamera, un generatore di particelle di tracciante e un processore di dati. L'installazione di Galleria del vento, le specifiche dei dispositivi coinvolti e le corrispondenti impostazioni dei parametri dipendono le caratteristiche di flusso per essere ottenuti.
Visualizzazione del flusso normale filo di fumo utilizza un filo di fumo per illustrare il flusso streaklines. Tuttavia, le prestazioni di questo metodo sono limitata dalla scarsa risoluzione spaziale quando è condotta in un campo di flusso complesso. Pertanto, è stata sviluppata una tecnica di visualizzazione migliorata Portata fumi. Questa tecnica viene illustrato il campo di flusso LEV globale su larga scala e la struttura di flusso di strati di taglio su piccola scala allo stesso tempo, fornendo un prezioso riferimento per misura di seguito dettagliate particella immagine velocimetry (PIV).
In questa carta, l'applicazione di visualizzazione migliorata Portata fumi e misurazione PIV per studiare i fenomeni di moto vario sopra un ala di delta è dimostrato. La procedura e le precauzioni per condurre l'esperimento sono elencati, tra cui Galleria del vento installazione, acquisizione dati ed elaborazione dati. I risultati rappresentativi mostrano che questi metodi di visualizzazione del due flusso sono efficaci tecniche per lo studio del campo di flusso tridimensionale qualitativamente e quantitativamente.

Figura 2d Mostra le storie di tempo delle posizioni ripartizione LEV. La curva nera indica il portside LEV e la curva rossa dritta LEV. La scala di tempo è nondimensionalized per la lunghezza di velocità e corda di flusso libero. Il coefficiente di correlazione tra queste due storie di tempo è r = −0.53, che indica una forte interazione anti-simmetrica delle oscillazioni della posizione di ripartizione LEV. Questo risultato concorda bene con il ...

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Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods

Qui, presentiamo un protocollo per osservare i flussi vorticosi instabili nel ala a delta con una tecnica Portata fumi modificate e studiare il meccanismo responsabile per le oscillazioni delle posizioni ripartizione vortice marginale.

Indagine sperimentale della struttura flusso sopra un ala di Delta tramite metodi di visualizzazione del flusso

It is well known that the flow field over a delta wing is dominated by a pair of counter rotating leading edge vortices (LEV). However, their mechanism is ...

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Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. Polyps and nodules, which are geometric abnormalities that form on the medial surface of the vocal folds, can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Our laboratory has reported particle image velocimetry (PIV) measurements, within an investigation of a model polyp located on the medial surface of an in&#160;vitro driven vocal fold model, which show that such a geometric abnormality considerably disrupts the glottal jet behavior. This flow field adjustment is a likely reason for the severe degradation of the vocal quality in patients with polyps. A more complete understanding of the formation and propagation of vortical structures from a geometric protuberance, such as a vocal fold polyp, and the resulting influence on the aerodynamic loadings that drive the vocal fold dynamics, is necessary for advancing the treatment of this pathological condition. The present investigation concerns the three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted prolate hemispheroid with a 2:1 aspect ratio in cross flow, i.e. a model vocal fold polyp, using an oil-film visualization technique. Unsteady, three-dimensional flow separation and its impact of the wall pressure loading are examined using skin friction line visualization and wall pressure measurements.

Vocal fold polyps can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted model polyp and its impact on the wall pressure loading are examined using particle image velocimetry, skin friction line visualization, and wall pressure measurements.

Investigare la separazione tridimensionale del flusso indotta da un modello di polipo piega vocale

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

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Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and tortuosity). Secondary flow structures are vortical flow patterns that occur in curved arteries due to the combined action of centrifugal forces, adverse pressure gradients and inflow characteristics. Such flow morphologies are greatly affected by pulsatility and multiple harmonics of physiological inflow conditions and vary greatly in size-strength-shape characteristics compared to non-physiological (steady and oscillatory) flows 1 - 7.
Secondary flow structures may ultimately influence the wall shear stress and exposure time of blood-borne particles toward progression of atherosclerosis, restenosis, sensitization of platelets and thrombosis 4 - 6, 8 - 13. Therefore, the ability to detect and characterize these structures under laboratory-controlled conditions is precursor to further clinical investigations.
A common surgical treatment to atherosclerosis is stent implantation, to open up stenosed arteries for unobstructed blood flow. But the concomitant flow perturbations due to stent installations result in multi-scale secondary flow morphologies 4 - 6. Progressively higher order complexities such as asymmetry and loss in coherence can be induced by ensuing stent failures vis-&#224;-vis those under unperturbed flows 5. These stent failures have been classified as &#34;Types I-to-IV&#34; based on failure considerations and clinical severity 14.
This study presents a protocol for the experimental investigation of the complex secondary flow structures due to complete transverse stent fracture and linear displacement of fractured parts (&#34;Type IV&#34;) in a curved artery model. The experimental method involves the implementation of particle image velocimetry (2C-2D PIV) techniques with an archetypal carotid artery inflow waveform, a refractive index matched blood-analog working fluid for phase-averaged measurements 15 - 18. Quantitative identification of secondary flow structures was achieved using concepts of flow physics, critical point theory and a novel wavelet transform algorithm applied to experimental PIV data 5, 6, 19 - 26.

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to "Type IV" failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant "Type IV" stent failures.

Indagine sperimentale di strutture flusso secondario a valle di una mancata Modello Tipo IV stent in una sezione di prova a 180 ° curvo Artery

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Ingegneria

Airfoil Behavior: Pressure Distribution over a Clark Y-14 Wing

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An airfoil is a 2-dimensional wing section that represents critical wing performance characteristics. The pressure distribution and lift coefficient are important parameters that characterize the behavior of airfoils. The pressure distribution is directly related to the lift generated by airfoils. A Clark Y-14 airfoil, which is used in this demonstration, has a thickness of 14% and is flat on the lower surface from 30% of chord length to the back.
Here we will demonstrate how the pressure distribution around an airfoil is measured using a wind tunnel. A Clark Y-14 airfoil model with 19 pressure ports is used to collect pressure data, which is used to estimate the lift coefficient.

Comportamento del profilo alare: distribuzione della pressione su un'ala Clark Y-14

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An ...

Didattica

JoVE Science Education

Ingegneria aeronautica

Turbulence Sphere Method: Evaluating Wind Tunnel Flow Quality

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Wind tunnel tests are useful in the design of vehicles and structures that are subjected to airflow during their use. Wind tunnel data are generated by applying a controlled air flow to a model of the object being studied. The test model usually has a similar geometry but is a smaller scale compared to the full-sized object. To ensure accurate and useful data is collected during low speed wind tunnel tests, there must be a dynamic similarity of the Reynolds number between the tunnel flow field over the testing model and the actual flow field over the full-sized object.
In this demonstration, wind tunnel flow over a smooth sphere with well-defined flow characteristics will be analyzed. Because the sphere has well-defined flow characteristics, the turbulence factor for the wind tunnel, which correlates the effective Reynolds number to the test Reynolds number, can be determined, as well as the free-stream turbulence intensity of the wind tunnel.

Turbulence Measurements at Varying Air Speeds

Metodo della sfera di turbolenza: valutazione della qualità del flusso nella galleria del vento

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Wind tunnel tests are useful ...

Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
The pressure distributions and drag estimations for cross cylindrical flow have been investigated for centuries. By ideal inviscid potential flow theory, the pressure distribution around a cylinder is vertically symmetric. The pressure distribution upstream and downstream of the cylinder is also symmetric, which results in a zero-net drag force. However, experimental results yield very different flow patterns, pressure distributions and drag coefficients. This is because the ideal inviscid potential theory assumes irrotational flow, meaning viscosity is not considered or taken into account when determining the flow pattern. This differs significantly from reality.
In this demonstration, a wind tunnel is utilized to generate a specified airspeed, and a cylinder with 24 ports of pressure is used to collect pressure distribution data. This demonstration illustrates how the pressure of a real fluid flowing around a circular cylinder differs from predicted results based on the potential flow of an idealized fluid. The drag coefficient will also be estimated and compared to the predicted value.

Cross Cylindrical Flow: Pressure Distribution &amp; Drag Coefficients

Flusso cilindrico incrociato: misurazione della distribuzione della pressione e stima dei coefficienti di resistenza

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
The ...

Schlieren Imaging: A Technique to Visualize Supersonic Flow Features

Source: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Military jet fighters and projectiles can fly at incredible speeds that exceed the speed of sound, which means they are traveling at a supersonic speed. The speed of sound is the speed at which a sound wave propagates through a medium, which is 343 m/s. Mach numbers are used to gauge the flight speed of an object relative to the speed of sound.
An object traveling at the speed of sound would have a Mach number of 1.0, whereas an object traveling faster than the speed of sound has a Mach number greater than 1.0. The compressibility effects of air must be accounted for when traveling at such speeds. A flow is considered compressible when the Mach number is greater than 0.3. In this demonstration, Mach 2.0 supersonic flow over a cone will be analyzed by visualizing the formation of shock waves and compression waves in compressible flow using a Schlieren system.

Schlieren Imaging: Visualization of Supersonic Flow Features

Schlieren Imaging: una tecnica per visualizzare le caratteristiche del flusso supersonico

Source: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Military jet ...

Flow Visualization in a Water Tunnel: Observing the Leading-edge Vortex Over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The delta wing, shown in Figure 1D, is a popular design in high-speed airplanes due to its superb performance in transonic and supersonic flight regimes. This type of wing has a small aspect ratio and high sweep angle, which reduces drag at high subsonic, transonic and supersonic flight regimes. The aspect ratio is defined as the wing span divided by the average chord <img align="middle" src="/files/ftp_upload/10459/10459eq1a.jpg" />.
An important advantage of the delta wing is its high stall angle. The stall of a delta wing is delayed compared to the stall of a high aspect ratio wing. This is because the lift of a delta wing is enhanced by the leading-edge vortex over the wing.
An effective way to observe this vortex flow phenomenon and study the vortex breakdown in a delta wing is by visualizing the flow in a water tunnel. By injecting dye in the flow surrounding a model from dye ports on the leading-edge, the vortex development and breakdown can be observed and its position measured. The data can also be used to estimate the stall angle.
<img src="/files/ftp_upload/10459/10459fig1.jpg" />
Figure 1. Typical wing planform shapes: A) Rectangular, with constant chord along span, B) elliptical, C) tapered, with variable chord along the span, and D) delta wing, an aft-swept wing with zero taper ratio.

Flow in a Water Tunnel: Leading-edge Vortex over a Delta Wing

Visualizzazione del flusso in un tunnel d'acqua: osservazione del vortice di estremità su un'ala delta

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The ...

Surface Dye Flow Visualization: A Qualitative Method to Observe Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow structure, and it also helps researchers theorize and verify fluid flow behavior. Flow visualization can be divided into two categories: off-the-surface visualization and surface flow visualization. Off-the-surface flow visualization techniques involve determining the flow characteristics around the body of interest. They include but are not restricted to particle image velocimetry (PIV), Schlieren imaging, and smoke flow visualization. These techniques can provide qualitative as well as quantitative data on the flow around a body. However, these techniques are generally expensive and difficult to set-up. Surface flow visualization techniques, on the other hand, involve coating the body of interest with a dye to study flow on the surface. These techniques, which are more invasive in practice, include dye flow visualization and, more recently, use pressure-sensitive paint, which gives a detailed image of the flow on the body&#39;s surface. This allows researchers to visualize different flow features, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation. Dye flow visualization, the technique of interest in the current experiment, provides a qualitative picture of the surface flow and is one of the simplest and most cost-effective surface flow visualization methods, specifically for visualizing gaseous flows on a body.
In this experiment, the surface flow behavior on six bodies are studied in supersonic flow. The streakline patterns are obtained using the dye flow visualization technique, and the flow paths, degree of flow attachment and separation, and location and type of shocks are identified and studied from the flow images.

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

Visualizzazione del flusso di colorante superficiale: un metodo qualitativo per osservare le linee di flusso nel flusso supersonico

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow ...

Measuring Turbulent Flows

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations that require instruments with high time-resolution for their appropriate characterization. Hot-wire anemometers have a short enough time-response to fulfill this requirement. The purpose of this experiment is to demonstrate the use of hot-wire anemometry to characterize a turbulent jet.
In this experiment, a previously calibrated hot-wire probe will be used to obtain velocity measurements at different positions within the jet. Finally, we will demonstrate a basic statistical analysis of the data to characterize the turbulent field.

Measuring Turbulent Flows Using Hot-Wire Anemometers

Misurazione di flussi turbolenti

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows ...