Name: experimental investigation of the flow structure over a delta wing via flow visualization methods
Uploaded: 2018-04-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods at JoVE.com

Os autores gostaria de agradecer o Conselho de bolsas de investigação de Hong Kong (n. GRF526913), Hong Kong-inovação e tecnologia Comissão (n. ITS/334/15FP) e nos escritório da Naval Research Global (n. N00014-16-1-2161) para apoio financeiro.

1. instalação túnel de vento
<ol><li>Modelo de asa delta
	<ol>
<li>Construa um modelo de asa delta de alumínio, com um ângulo de varredura φ de 75 °, um comprimento de corda c de 280 mm, uma raiz span b de 150 mm e uma espessura de 5 mm. Têm ambos os bordos de ataque chanfrados 35 ° para corrigir o ponto de separação17 (ver Figura 1a).</li>
	</ol></li>
	<li>Facilidade de túnel de vento
	<ol>
<li>Realizar experimentos em um túnel de vento de baixa velocidade de circuito fechado, com uma seção de teste de 2,4 m (comprimento) × 0,6 m (largura) × 0,6 m (altura) que é equipado com paredes de vidro que permitem acesso óptico durante as experiências. A intensidade turbulenta de uma instalação deve ser inferior a 0,4%. Nota: Neste estudo, usamos um túnel de vento na Universidade Politécnica de Hong Kong com as características acima. Além disso, a velocidade freestream U∞ variou de 2.64 m/s a 10.56 m/s, correspondente a um número de Reynolds, Re, de 5 × 104 a 2 × 105, baseia o comprimento da corda da asa delta, que é o intervalo de voo típico para um veículo aéreo não tripulado (UAV).</li>
		<li>Conforme necessário, use três arranjos diferentes (ver Figura 1b-d) da folha do laser e câmeras para observar as estruturas de fluxo em seção transversal longitudinal, secção transversal span-wise e a secção transversal. Esquemas da instalação são mostrados na Figura 1b. Nota: Este protocolo demonstra a instalação e medição em seção transversal longitudinal em detalhe.</li>
	</ol></li>
	<li>Instalar a asa delta
	<ol>
<li>Corrigi o bordo de fuga da asa delta sobre a picada, que é uma guia de movimento circular usada para ajustar o ângulo de ataque (AoA), α. O centro do guia circular está na linha central da seção de teste do túnel de vento. Assim, o centro do asa delta pode ser sempre no centro da seção de teste. Ajustar o AoA para α = 34 °.</li>
		<li>Ajuste cuidadosamente o modelo asa delta para minimizar qualquer ângulo de guinada e rolar ângulo, verificando-se as leituras de um medidor de ângulo e um nível de três eixos do laser. No estudo atual, a incerteza destes dois ângulos é inferior a 0,1 °.</li>
	</ol></li>
	<li>Configurar a folha do laser
	<ol>
<li>Use dois lasers separadamente para iluminar as estruturas de fluxo para PIV medição e visualização de fluxo de fumaça.<ol>
<li>Para medição de PIV, usar um laser de pulso dual, com um comprimento de onda de 532 nm e uma energia máxima de 600 mJ (ajustável) para cada pulso. Controlá-lo com um sincronizador com sinais de transistor-transistor logic (TTL) (ver Figura 1b).</li>
			<li>Para visualização de fluxo de fumaça, use um laser contínuo com um comprimento de onda de 532 nm e uma potência de 1 w. Este laser contínuo funciona de forma independente. Durante a instalação da instalação, use um filtro de densidade neutra com 10% de transmitância para filtrar o feixe de laser para segurança.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Use óculos adequados do laser.</li>
		<li>Ajuste o espelho de reflexão para introduzir o feixe de laser no túnel de vento. O ângulo entre o eixo de luz do laser e o espelho é <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq1.jpg"> </img>, para fazer com que o feixe de laser normal à superfície de asa delta. Certifique-se de que o feixe de laser é em torno da posição x/c ≅ 0,25, que mais tarde será o centro do campo de visão (FOV).</li>
		<li>Instale o sistema ótico do laser (com o laser contínuo, em primeiro lugar) para formar a folha do laser, como mostrado na Figura 1b. A lente convexa é usada para controlar o tamanho do feixe de laser (também a espessura da folha). A lente cilíndrica expande o feixe de laser para uma folha do laser. Nota: No estudo atual, a distância focal da lente cilíndrica é 700 mm e o diâmetro da lente cilíndrica é 12 mm.</li>
		<li>Verificar a espessura da folha do laser medindo-se a linha de laser no modelo. Ajustar a localização da lente convexa se a espessura da folha do laser não é adequada (aqui, em torno de 1 mm, com uma largura efetiva da folha do laser na seção teste de cerca de 100 mm). Observe que a espessura da chapa do laser é dependente 1) o componente de velocidade na direção normal para a folha do laser e 2) o intervalo de tempo entre o par de instantâneos em medição de PIV.</li>
		<li>Coloquei uma placa de alvo de calibração na asa delta, com sua superfície coincidente para a folha do laser. Esta etapa é essencial porque o FOV no estudo atual não é ortogonal a coordenada de túnel de vento.</li>
	</ol></li>
	<li>Configuração da câmera
	<ol>
<li>Desliga os lasers ao configurar a câmera. Tal como acontece com os lasers, use duas câmeras para cada parte separada deste experimento:<ol>
<li>Para medição de PIV, use uma câmera CCD de alta velocidade com uma resolução de 2048 × 2048 pixels. Esta câmera é controlada pelo sincronizador e o duplo pulso do laser (ver Figura 1b). Dados nesta câmera serão transmitidos diretamente para o computador.</li>
			<li>Para visualização de fluxo de fumaça, use uma câmera digital comercial com uma resolução de instantâneo de 4.000 × 6.000 pixels e uma resolução de gravação de vídeo de 50 Hz de 720 × 1280 pixels durante a visualização de fluxo de fumaça. Será operado manualmente.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Mova a posição da câmera (comercial câmera digital, em primeiro lugar) para obter o desejado FOV. Ajuste a lente da câmera para focalizar a placa-alvo calibração. Certifique-se de que todo o campo está concentrado. Se não, as coordenadas da câmera podem não ser ortogonais à placa de alvo de calibração. Assim, ajustar a câmera posicione cuidadosamente18.</li>
		<li>Leve vários quadros depois que a câmera é bem definida. Mais tarde, esses quadros da placa alvo de calibração serão usados para calibrar o fator de escala entre o tamanho real e o pixel do quadro e para identificar a posição de referência no quadrante xyz. Em seguida, retire a placa de destino de calibração.</li>
	</ol></li>
	<li>Ligue o túnel de vento com uma velocidade baixa (por exemplo, 3 m/s) e injetar partículas de óleo em túnel de vento. Ajustar a pressão do gerador do aerossol 2,5 bar e operá-lo por 30 s para o método de visualização do fluxo pré-propagado. Depois disso, o túnel de vento inteiro será propagado uniformemente com partículas de óleo em um diâmetro normal de cerca de 1 µm. Nota: No estudo atual, a concentração de densidade de partículas de óleo estimado no túnel de vento é aproximadamente <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq2.jpg"> na visualização fluxo de fumaça; assim, a mudança de densidade de fluxo global no túnel de vento é <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq3.jpg"> </img>.</li>
	<li>Configuração do software PIV
	<ol>
<li>Controlar o sistema PIV com o software PIV (ver tabela de materiais). Este software pode comandar o sincronizador para enviar sinais TTL para o laser e a câmera, como mostrado na Figura 1b.</li>
		<li>Defina a frequência de amostragem de 5 Hz, com um número de amostragem total de 500. O intervalo de tempo entre os quadros PIV é 80 µs. Note que o intervalo de tempo é dependente do tamanho da velocidade FOV e fluxo. Certifique-se que as áreas de interrogatório em dois quadros sobre uma sobreposição de 50-75%.</li>
	</ol></li>
</ol>2. execução do experimento
<ol><li>
Visualização melhorada fluxo de fumaça
	<ol>
<li>Ligue o túnel de vento a velocidade desejada freestream (U = 2.64 m/s). Executá-lo por 10 min estabilizar a velocidade freestream. No Re = 50.000, a velocidade de freestream é U = 2.64 m/s.</li>
		<li>Ligue o laser contínuo. Use a câmera digital para capturar instantâneos de 5-10 da estrutura de fluxo.</li>
		<li>Verificar se a folha do laser é na secção transversal longitudinal do núcleo LEV (ver a típica estrutura mostrada na Figura 3). Em caso afirmativo, marque esta posição no modelo asa delta como uma referência para a medição de PIV posterior; caso contrário, alterar a posição da folha do laser ajustando a lente óptica e redefinir a calibração seguindo passos 1.4.6 - 1.5.3.</li>
		<li>Rever essas imagens e verificar o foco e o brilho. Se a qualidade da imagem não é satisfatória, ajuste a abertura da lente ou a configuração ISO.</li>
		<li>Tirar mais instantâneos (tipicamente em torno de 20) e vídeos (aproximadamente 40 s) com a configuração adequada. Desligue o laser e transferir os dados para o computador.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medição de PIV
	<ol>
<li>Com base na posição de referência da etapa 2.1.3 e os resultados de instantâneos da etapa 2.1.5, escolha uma região interessante (x/c≈ 0,3) como o FOV, onde se podem observar as subestruturas vortical. Substitua a contínua do laser e uma câmera digital com o laser de pulso dual e câmera CCD para medição de PIV.</li>
		<li>Repita as etapas de 1.4.6 - 1.5.3 para gravar a calibração para medição do PIV.</li>
		<li>Ligue o túnel de vento a velocidade desejada freestream, U = 2.64 m/s. executá-lo por 10 minutos garantir que a velocidade de freestream é estável.</li>
		<li>Ajustar o laser de pulso dual ao mais alto nível de energia e aguarde. Usar o software para iniciar a aquisição de dados por 100 s. Assim que terminar a gravação de dados, desliga a cabeça do laser.</li>
		<li>Rever as imagens adquiridas no software e verificar a distribuição de folha do laser, a densidade das partículas (geralmente 6-10 partículas em cada área de interrogatório desejado), o foco e o deslocamento da partícula entre os quadros duplos (25-50% do interrogatório área).</li>
		<li>Se a qualidade das imagens é satisfatória, conforme descrito na etapa 2.2.5., salvar os dados no disco rígido do PC e executar os outros casos, repetindo os passos acima. Caso contrário, repita as etapas de 1,7 e 2,2 e ajustar cuidadosamente a instalação.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. processamento de dados
<ol><li>
Melhor visualização de fuma Nota: As etapas a seguir, 3.1.1-3.1.4, são feitas por meio do código MATLAB automaticamente (consulte o Arquivo de codificação suplementar).<ol>
<li>Transforme o vídeo em uma sequência de quadros. Converta os quadros do formulário do RGB em tons de cinza. Gire o quadro para tornar a superfície de asa delta horizontal. Escolha a área de interesse para processamento posterior (Figura 2a).</li>
		<li>Ajuste o brilho e o contraste para realçar a estrutura de fluxo. Aplica um limiar adaptativo para transformar a imagem cinza em uma imagem binária (Figura 2b).</li>
		<li>Somar os valores de binários em cada coluna e encontrar a posição em que a soma de repente muda. Esta posição é a localização de avaria do vórtice (Figura 2C).</li>
		<li>Grave os locais de esgotamento de vórtice e seus tempos correspondentes. A história do tempo da oscilação do colapso, portanto, pode ser obtida.</li>
		<li>Use o fator de escala de tamanho de pixel-real (medido a partir das imagens com a placa-alvo calibração na etapa 1.5.3) para transformar a história do tempo dos pixels de tamanho real e identificar a posição de referência. Traça a história do tempo da oscilação do colapso.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medição de PIV
	<ol>
<li>Execute o software do PIV. Use as imagens adquiridas na etapa 2.2.2 para definir o fator de escala e a posição de referência das coordenadas. Pré-processa os dados adquiridos através da biblioteca de processamento de imagem para realçar as partículas e reduzir o ruído18.</li>
		<li>Use o método de área de interrogatório adaptável com um tamanho de grade mínima de 32 × 32 pixels e uma sobreposição mínima de 50%. Escolha a área de imagem e definir um vetor de 3 x 3 validação para as correlações cruzadas adaptativas.</li>
		<li>O resultado é dado como um campo vetorial de velocidade, em que os vetores de azuis são os vetores corretos, os verdes são os vectores substituídos e os vermelhos são vetores ruins.</li>
		<li>Aplica o 3 x 3 movendo-se método de validação média para estimar a velocidade local comparando os vetores no seu bairro. Substitua os vetores que desviar-se muito de seus vizinhos com a média de seus vizinhos.</li>
		<li>Calcule estatísticas de vetor nos mapas de velocidade para obter as características de fluxo na história do tempo, por exemplo, a velocidade média de tempo, o desvio padrão e a correlação cruzada entre os componentes da velocidade. Calcule os escalares derivados do mapa para demonstrar os recursos internos do campo de fluxo, por exemplo, a vorticidade, tensões de cisalhamento e roda força vetor.</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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Os autores não têm nada para divulgar.

Este artigo apresenta a dois métodos de visualização de fluxo, a visualização melhorada fluxo de fumaça e a medição de PIV, para investigar a estrutura de fluxo sobre a asa delta, qualitativa e quantitativamente. Os procedimentos gerais da experiência são descritos passo a passo. As configurações desses dois métodos são quase a mesma coisa, enquanto os dispositivos envolvidos são diferentes. O princípio básico desses métodos de visualização dois fluxo é para iluminar as partículas do fluxo através ...

Medição do fluxo de campo através de técnicas de visualização é uma metodologia básica em engenharia de fluidos. Entre as técnicas de visualização diferentes, visualização de fluxo de fio de fumaça em experiências de túnel de vento e visualização de tintura em experiências de túnel de água são os mais utilizados para ilustrar a estruturas de fluxo qualitativamente. PIV e laser Doppler anemometry (LDA) são duas técnicas quantitativas típico1.
Na visualização fluxo de fio de fumaça, fumaça linha é geradas a partir de gotículas de óleo em um fio de aquecimento ou injectada a partir do gerador de fumo/contêiner externo durante os experimentos. Luzes de alta potência ou folhas do laser são usadas para iluminar a fumaça linha. Imagens então são gravadas para posterior análise. Este é um simples, mas muito útil fluxo visualização método2. No entanto, a eficácia desse método pode ser limitada por vários fatores, tais como a curta duração de fios de fumos, o campo de fluxo tridimensional complexo, a velocidade relativamente elevada do fluxo e a eficiência de geração de fumaça3.
Nas medições de PIV, um corte transversal de um campo de fluxo com partículas entranhados é iluminado por uma folha do laser, e posições instantâneas das partículas na presente secção são capturadas por uma câmera de alta velocidade. Dentro de um extremamente pequeno intervalo de tempo, um par de imagens é gravado. Dividindo as imagens em uma grade de áreas de interrogatório e calculando o médio movimento de partículas em áreas de interrogatório por meio de funções de correlação cruzada, o mapa de vetor velocidade instantânea nesta secção observada pode ser obtido. No entanto, também é sabido que os compromissos devem ser atingidos por factores incluindo o tamanho da janela de observação, a resolução do mapa velocidade, a magnitude da velocidade no plano, o intervalo de tempo entre o par de imagens, a velocidade ortogonal magnitude e a partícula densidade4. Portanto, muitos experimentos exploratórios podem ser necessários para otimizar as configurações experimentais. Seria caro e demorado para investigar um campo desconhecido e complexo fluxo com PIV medição sozinho5,6. Tendo em conta as preocupações acima, uma estratégia para combinar a visualização do fluxo de fumaça e medição PIV é proposta e demonstrada aqui para estudar o fluxo complexo sobre uma asa delta Delgada.
Numerosos estudos de LEV fluxos sobre asas delta foram realizados7,8, com técnicas de visualização de fluxo usado como as principais ferramentas. Muitos fenômenos de fluxo interessantes foram observados: tipo espiral e bolha tipo vórtice avarias9,10, uma tesoura instável camada subestrutura11,12, oscilações das localizações de esgotamento LEV13 , e efeitos de lançamento e guinada ângulos14,15,16 , nas estruturas de fluxo. No entanto, os mecanismos subjacentes de alguns fenômenos instáveis nos fluxos de asa delta permanecem pouco claras7. Neste trabalho, a visualização de fluxo de fumaça é melhorada usando as mesmas partículas semeadura utilizadas na medição de PIV, em vez de um fio de fumaça. Esta melhoria grandemente simplifica a operação da visualização e aumenta a qualidade das imagens. Baseado nos resultados de visualização melhorada fluxo de fumaça, medição de PIV enfoca aqueles campos de fluxo de interesse para adquirir as informações quantitativas.
Aqui, uma descrição detalhada é fornecida para explicar como realizar uma experiência de visualização de fluxo em um túnel de vento e para investigar fenômenos de fluxo instável sobre uma asa delta. Dois métodos de visualização, a visualização melhorada fluxo de fumaça e a medição de PIV, são usados juntos neste experimento. O procedimento inclui orientação passo a passo para instalação e parâmetro de regulação. Resultados típicos são demonstrados para mostrar a vantagem de combinar estes dois métodos para medir o campo de fluxo complexo espacial 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

É sabido que o campo de fluxo ao longo de uma asa delta é dominado por um par de vórtices de ponta rotativa de contador (LEV). No entanto, seu mecanismo não é bem compreendido. A técnica de visualização de fluxo é um método não-intrusiva promissor para ilustrar o campo de fluxo complexo espacial e temporalmente. Uma configuração de visualização de fluxo básico consiste em um laser de alta potência e lentes ópticas para gerar a folha do laser, uma câmera, um gerador de partículas de marcador e um processador de dados. A instalação do túnel de vento, as especificações dos dispositivos envolvidos e as configurações de parâmetro correspondente dependem as características de fluxo a ser obtido.
Visualização de fluxo normal fumaça fio usa um fio de fumo para demonstrar a linha de fluxo. No entanto, o desempenho desse método é limitado pela resolução espacial pobre quando ele é conduzido em um campo de fluxo complexo. Por isso, desenvolveu-se uma técnica de visualização melhorada fluxo de fumaça. Esta técnica ilustra o campo de fluxo global de LEV em grande escala e a estrutura de fluxo de camada de cisalhamento em pequena escala ao mesmo tempo, fornecendo uma valiosa referência para medição de Velocimetria (PIV) de imagem posteriormente detalhadas das partículas.
Neste trabalho, é demonstrada a aplicação da visualização melhorada fluxo de fumaça e medição de PIV para estudar os fenômenos de fluxo instável sobre uma asa delta. O procedimento e cuidados para a realização do experimento são listados, incluindo a instalação do túnel de vento, aquisição de dados e processamento de dados. Os resultados representativos mostram que esses métodos de visualização duas fluxo técnicas eficazes para investigar o campo de fluxo tridimensional, qualitativa e quantitativamente.

Figura 2d mostra as histórias do tempo dos locais avaria LEV. A curva preta indica o LEV a bombordo e a curva vermelha indica o estibordo LEV. A escala de tempo é adimensional pelo comprimento de velocidade e acordes de fluxo livre. O coeficiente de correlação entre essas duas histórias do tempo é r = −0.53, indicando uma forte interação antisimétrica das oscilações de localização de avaria da LEV. Este resultado concorda bem com o tra...

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

Aqui, apresentamos um protocolo para observar os fluxos vortical instáveis sobre uma asa delta utilizando uma técnica de visualização de fluxo de fumaça modificados e investigar o mecanismo responsável por oscilações dos locais de avaria vórtice de ponta.

Investigação experimental da estrutura de fluxo ao longo de uma Asa Delta através de métodos de visualização de fluxo

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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10.5K visualizações.  Hong Kong Polytechnic University. Aqui, apresentamos um protocolo para observar os fluxos vortical instáveis sobre uma asa delta utilizando uma técnica de visualização de fluxo de fumaça modificados e investigar o mecanismo responsável por oscilações dos locais de avaria vórtice de ponta.

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

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.

Investigando a separação de fluxo tridimensional induzida por um polip de dobra vocal modelo

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

Bioengenharia

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.

Investigação Experimental de Estruturas de fluxo secundário a jusante de uma falha Modelo Tipo IV Stent em uma seção de teste de 180 ° Curved Artéria

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.

Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

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

Engenharia

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 do aerofólio: Distribuição de pressão sobre uma asa Clark Y-14

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

JoVE Science Education

Engenharia Aeronáutica

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

Método da esfera de turbulência: avaliando a qualidade do fluxo do túnel de 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

Fluxo Cilíndrico Cruzado: Medição da Distribuição de Pressão e Estimando os Coeficientes de Arrasto

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

Imageamento de Schlieren: uma técnica para visualizar recursos de fluxo supersônico

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

Visualização de fluxo em um túnel de água: observando o vórtice de ponta sobre uma asa 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

Visualização de fluxo com corante de superfície: um método qualitativo para observar padrões de estrias em fluxo supersônico

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

Medindo fluxos turbulentos

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