Prove in flusso continuo per la valutazione dei campi di velocità tramite PIV

Come affermato in precedenza (§3.5.), la Particle Image Velocimetry (PIV) è un metodo ottico di misura globale del campo di moto di un fluido. Tale misura fornisce la proiezione del campo del vettore velocità istantanea delle particelle traccianti, all’interno di una portata di interesse, a partire dalla ricostruzione delle traiettorie seguite dalle particelle inserite nel liquido di prova. Tali particelle sono visibili perché illuminate da un fascio di luce laser che esse rifrangono verso una fotocamera. La loro traiettoria si ottiene confrontando due immagini a due istanti diversi. Di solito viene utilizzato un sincronizzatore per assicurarsi che il laser e la fotocamera lavorino nello stesso istante. Le protesi valvolari sottoposte a prove PIV in flusso continuo sono:

 protesi valvolari appartenenti al gruppo A;  protesi valvolari appartenenti al gruppo D;

 una protesi valvolare meccanica (diametro 22 mm) (Fig. 4.16);

 una protesi valvolare biologica bovina (diametro 25 mm) (3000 PERIMOUNT Magna, Edwards Lifesciences) (Fig. 4.17).

Fig. 4.16: Protesi valvolare meccanica tilting disc (diametro 22mm).

Set up sperimentale

Le prove PIV hanno l’obiettivo di misurare globalmente il campo di moto di un fluido. In tale tipologia di prove il set up (Fig. 4.18 e 4.19) risulta composto di cinque elementi principali: una pompa, necessaria per generare una portata stazionaria, un alloggiamento valvolare, che permette di visualizzare la valvola e di acquisire immagini durante la prova e al quale sono collegati i trasduttori di pressione che consentono di misurare le perdite di carico, una riserva a pelo libero, un laser e una fotocamera.

Fig. 4.18: Schema del set up sperimentale. Sono rappresentati: la pompa (P), la riserva (R), la valvola (V), la fotocamera (C), il laser (L). Pmonte e Pvalle rappresentano i punti in cui vengono rilevate le pressioni.

Fig. 4.19: Foto del set up sperimentale per le prove PIV. Nell’immagine sono messi in evidenza gli strumenti utilizzati nel set up: alloggiamento valvolare (AV); laser (L); fotocamera (C).

Durante la prova la fotocamera acquisisce due immagini a due istanti diversi. Il software è in grado di confrontare le due immagini e di ottenere la traiettoria delle particelle tracciate. Dalla traiettoria è possibile ottenere il vettore velocità di una singola particella dividendo tale valore per il tempo trascorso tra una immagine e quella seguente, definito pulse time. La pompa volumetrica (0.75 hp, Lowara SGM7, Direct Industry,) è in grado di generare portate fino a 21 l/min ed è regolata tramite una valvola di controllo del flusso.

L’alloggiamento valvolare è stato realizzato ad hoc cercando di riprodurre il sito anatomico in cui normalmente si trova una valvola aortica. Le informazioni sul dimensionamento provengono dalle pubblicazioni di American Heart Association (AHA): il seno aortico presenta nel suo punto più largo un diametro di 34 mm, mentre il diametro del tubo a valle del seno è 22 mm. Tra i requisiti principali ricordiamo che:

 la protesi valvolare deve essere situata nell’alloggiamento senza possibilità di movimento;

 l’alloggiamento deve essere trasparente in modo che la telecamera riesca ad acquisire le immagini durante la prova;

 l’alloggiamento consenta di rimuovere e sostituire la protesi valvolare in modo semplice.

L’alloggiamento è formato da due elementi speculari lavorati in officina in modo da presentare il sito per la valvola da esaminare. I due pezzi vengono uniti e stretti mediante un sistema di bulloni per impedire alla valvola di muoversi nella camera durante il funzionamento. Il materiale di cui tale alloggiamento è costituito è polimetilmetacrilato (Perspex®_{), reso piatto nella parte laterale in modo da evitare distorsioni ottiche dovute}

all’indice di rifrazione del Perspex (Fig. 4.20). Anche la parte terminale dell’alloggiamento è resa piatta per evitare eventuali distorsioni del laser (Fig. 4.21).

Il componente presenta due condotti delle prese luer per la misura di pressione: due fori sono stati fatti alla distanza di un diametro a monte e tre volte il diametro a valle, come imposto dalla norma ISO 5840. A monte della valvola si trova un raddrizzatore di flusso per cercare di mantenere il flusso il più laminare possibile (Fig. 4.20).

Fig. 4.20: Alloggiamento valvolare in Perspex reso piatto nella parte laterale per evitare distorsioni ottiche. È possibile vedere anche le due prese luer per i trasduttori di pressione e il raddrizzatore di flusso per cercare di

Fig. 4.21: Alloggiamento valvolare con visione della parte terminale resa piatta.

La caduta di pressione è misurata per mezzo di due sensori di pressione (Wika, tipe A-10, Germany), con fondoscala di 1 bar, posti, secondo norma, un diametro a monte e tre diametri a valle dal piano valvolare.

Le particelle usate sono microsfere rivestite d’argento di diametro di 10 µm e di lunghezza d’onda di lavoro di 532 nm. Alla stessa lunghezza d’onda lavora il laser Nd:Yag (Twins Ultra, Quantel, France) (Fig. 4.22) che emette un fascio di luce pulsatile.

Il campo di velocità viene misurato attraverso le acquisizioni di una fotocamera (PCO SensiCam, Germany) (Fig. 4.23) con una risoluzione di 1280 x 1024 in grado di catturare coppie di immagini ad una frequenza che dipende dalla velocità del fluido. È risultato indispensabile l’utilizzo di un sincronizzatore per acquisire le immagini esattamente in contemporanea all’emissione del fascio di luce dal laser.

Le immagini sono state analizzate con il software VidPIV (versione 4.6) e successivamente rielaborate con il software TecPlot (versione 360 ex).

Per le prove, infine, è stata utilizzata una soluzione di glicerolo e acqua in una proporzione di 43% v/v (ρ = 1060 kg/m3_{, µ = 0,003 Pa∙s) per cercare di riprodurre proprietà quanto più}

Fig. 4.22: Laser pulsatile Nd:Yag Twins Ultra, Quantel, France.

Fig. 4.23: Fotocamera PCO SensiCam utilizzata per l’acquisizione delle immagini.

Protocollo di prova

Nelle prove PIV in flusso continuo le valvole sono state sottoposte a quattro portate: 5 l/min, 10 l/min, 15 l/min e 20 l/min.

Per ciascun dispositivo sono state acquisite 20 coppie di immagini ad ogni portata tra 5 l/min e 20 l/min con incrementi di 5 l/min ogni volta.