An experimental investigation on the analysis of flow dynamics in collapsible elastic tubes

Abstract

Bu çalısmada çökelebilen elastik tüplerdeki hava akısı deneysel olarak arastırılmıstır.Deney düzenegi literatür arastırması sonucu tasarlanıp imal edilmistir. Deneylerde cidarkalınlıgı 0.55 mm olan Penrose tüp ve cidar kalınlıgı 1 mm, 2 mm ve 3 mm olan silikon tüplerkullanılmıstır. Tüplerin iç çapı 25.4 mm olup tüp uzunlugunun tüp iç çapına oranı 10, 7.5 ve 5olacak sekilde üç farklı tüp uzunlugu test edilmistir. Elastik tüp, Starling resistor olarakbilinen hava sızdırmaz bir kutu içerisine herhangi bir gerilme verilmeden her iki ucunda metalboru parçalarına takılmıstır. Hava akısı vida tipi bir kompresörle zamana bagımsız olaraksisteme saglanmıstır. Zamana bagımsız akıs miktarı 0.0049 m3/s ile 0.0214 m3/s arasındaayarlanmıstır. Starling resistor'e basınç uygulayarak içinden hava akan tüpün iç ve dıs basınçfarkı negatif oldugu zaman çogu durumda kendiliginden salınımlar gözlenmis ve akıs buyüzden zamana bagımlı hale gelmistir. Ancak tüp çesidine (3 mm kalınlıgındaki silikon tüp)ve akıs miktarına baglı olarak bazı durumlarda salınımlar gözlenmemistir. Zamana bagımlıbasınç ve hız ölçümleri bir veri toplama sistemiyle bilgisayara kaydedilmistir. Salınımlarınbasladıgı anda tüp giris ve çıkısındaki basınç ölçümleri ve tüp çıkısındaki hız ölçümleriyapılmıstır. Bu ölçümlere hızlı Fourier dönüsümü (FFT) uygulayarak salınımların frekansıbelirlenmistir. Deneysel olarak belirlenen salınımların frekans degerleri 18 Hz ile 35 Hzarasında kalmıstır. Tüp özelliklerinin (cidar kalınlıgı, uzunluk, iç çap, tüp malzemesi) ve akısmiktarının, basınç ve hız ölçümlerini önemli ölçüde etkiledigi görülmüstür. Bu yüzden buparametrelerin çökelebilen tüp akısları arastırmalarında dikkate alınması gerektigivurgulanmıstır. Ayrıca deneysel sonuçlar, literatürden alınan lineer stabilite teorisine baglıolan teorik hesaplamalarla karsılastırılmıstır. Hesaplamalar sonucu bulunan frekans degerininölçümlerden elde edilen aralık içerisinde kaldıgı görülmüstür. Çökelebilen tüplerdeki akıslaresas olarak fizyolojik akıslara ve biyomekanik uygulamalara baglantılı oldugundan, güncel birkonu olup üzerinde çalısmalar devam etmektedir. Bu yüzden detaylı olarak sunulan budeneysel çalısmanın konu alanındaki arastırıcılara yararlı olacagı düsünülebilir. Ayrıcakonuyla ilgili geçmisteki deneysel çalısmaların çogunda akıskan olarak su kullanıldıgından,çökelebilen tüplerde hava akısının da test edilmesinin yararlı olabilecegi düsünülmüstür.Dolayısıyla bu açıklıgı dikkate alarak yapılan arastırmanın bu anlamda önem tasıdıgısöylenebilir.

In this study airflow through collapsible elastic tubes was experimentally investigated.The experimental set-up was designed and constructed as a result of literature survey. In theexperiments, Penrose tubes having a wall thickness of 0.55 mm and silicone rubber tubeshaving a wall thickness of 1 mm, 2 mm and 3mm were used. The inside diameter of the tubesare 25.4 mm and three different tube lengths were tested such as the ratios of tube length tothe tube inside diameter would be 10, 7.5 and 5. The elastic tube was placed without anytension in an airtight box known as Starling resistor and it was attached to pieces of metalpipes at both of its ends. Airflow was steadily supplied to the system by means of a screwtypecompressor. The steady air flow rate was regulated between 0.0049 m3/s and 0.0214m3/s. When the internal and external pressure difference of the tube in which air flowedthrough it was negative on applying pressure into the Starling resistor, the self excitedoscillations were observed in most of the cases and flow was therefore unsteady. However theoscillations were not observed in some cases depending on the tube type (the 3 mm thicksilicone rubber tube) and flow rate. The time dependent pressure and velocity measurementswere stored on the computer by means of a data acquisition system. The measurements ofpressure at the inlet and exit of the tube and the velocity at the exit of the tube had beenperformed at the onset of oscillations. The frequency of the oscillations had been determinedby applying Fast Fourier Transform (FFT) to these measurements. The experimentallydetermined frequency of the oscillations values were between 18 Hz and 35 Hz. It was seenthat the properties of the tube (wall-thickness, length, inside diameter, tube material) andmagnitude of the flow rate seriously affected pressure and velocity measurements. Thereforeit was emphasized that these parameters should be considered in the collapsible tube flowinvestigations. The experimental results were also compared with the theoretical calculationsbased on linear stability theory obtained from literature. The frequency value obtained fromthe calculations was seen to be in the range of measurement results. The flows throughcollapsible tubes are up-to-date topic and the studies are continuing on them due to the factthat they are basically related to physiological flows and biomechanical applications.Therefore this experimental study which had been presented in detail may be considered to bebeneficial for the investigators dealing with this topic. In addition, since water had been usedas fluid in most of the previous experimental studies related to the subject, it was consideredthat it might be useful to test also airflow in collapsible tubes. Consequently, the performedinvestigation in which this gap was taken into consideration can be said to have significancein this respect.