Разработка экспериментальной установки для измерения коэффициента восстановления в условиях вакуума

Резюме

Коэффициент восстановления является параметром, который описывает потерю кинетической энергии при столкновении. Здесь, установка свободного падения в условиях вакуума разработан, чтобы иметь возможность определить коэффициент параметра реституционной для частиц в диапазоне микрометра с высокими скоростями удара.

Аннотация

Дискретный элемент метод используется для моделирования систем в виде частиц для описания и анализа их, чтобы предсказать, а затем оптимизировать свое поведение для отдельных этапов процесса или даже всего процесса. Для моделирования с происходящий между частицами и частицами стенные контакты, значение коэффициента восстановления требуется. Она может быть определена экспериментально. Коэффициент восстановления зависит от нескольких параметров, таких как скорость удара. Специально для мелких частиц скорость удара зависит от давления воздуха и при атмосферном давлении высокие скорости удара не может быть достигнута. Для этого, новая экспериментальная установка для испытаний свободного падения в условиях вакуума развивается. Коэффициент восстановления определяется с ударной и отскока скорости, которые детектируются камерой с высокой скоростью. Для того, чтобы не препятствовать зрения, вакуумная камера изготовлена ​​из стекла. Кроме того, новый спусковой механизм, чтобы бросить одну частицу под вакуумомусловия строится. В связи с этим, все свойства частицы могут быть охарактеризованы заранее.

Введение

Порошки и гранулы повсюду вокруг нас. Жизнь без них невозможно в современных обществах. Они появляются в продуктах питания и напитков, как зерно или даже мука, сахар, кофе и какао. Они необходимы для ежедневных используемых объектов, таких как тонер для лазерного принтера. Кроме того, пластиковая промышленность не мыслимые без них, так как пластик транспортируется в гранулированном виде, прежде чем он плавится и дал новую форму. После того, как Эннис и др. ¹ , по крайней мере 40% от добавленной стоимости к индексу потребительских цен в Соединенных Штатах Америки в химической промышленности (сельское хозяйство, пищевая промышленность, фармацевтика, минералы, боеприпасов) связано с технологией частиц. Nedderman ² даже указано , что около 50% (вес) продуктов и минимум 75% сырья являются гранулированные твердые вещества в химической промышленности. Он также заявил, что возникают многие проблемы, касающиеся хранения и транспортировки сыпучих материалов. Одним из них является то, что во время транспортировки и handliнг многие столкновения происходят. Для анализа, описания и предсказать поведение системы в виде частиц, дискретный элемент Метод (DEM) моделирование может быть выполнено. Для этого моделирования знаний о поведении столкновений системы частиц необходимо. Параметр, который описывает это поведение в DEM моделирования является коэффициент восстановления (COR), который должен быть определен в экспериментах.

ПСЗ это число , которое характеризует потерю кинетической энергии при ударе , как описано Seifried и др. ^3. Они объяснили, что это вызвано пластических деформаций, распространения волн и вязкоупругих явлений. Торнтон и Нин ⁴ также отметил , что некоторое количество энергии может быть рассеяна работы за счет взаимодействия адгезии. ПСЗ зависит от скорости удара, поведение материала, размер частиц, форма, шероховатость, содержание влаги, адгезионные свойства и температуры , как указано в Антонюк и др. ^5. Для completelу упругого удара вся поглощенная энергия возвращается после столкновения с тем, что относительная скорость между контактными партнерами равны перед и после удара. Это приводит к COR е = 1. В течение идеально пластического воздействия поглощается вся начальная кинетическая энергия и контактные партнеры слипаются , что приводит к COR е = 0. Кроме того, Güttler и др. ⁶ объяснил , что есть два типы столкновений. С одной стороны, есть столкновение между двумя сферами, который также известен как контакт частица-частица. С другой стороны, существует столкновение между сферой и пластиной, которая также называется частица-стенка контактная. С данными для COR и других свойств материала , как коэффициент трения, плотность, коэффициент и модуль сдвига DEM моделирования Пуассона могут быть выполнены , чтобы определить послестолкновительных скорости и ориентации частиц , как объяснено Bharadwaj и др. ^7. Как шоWn в Антонюк и др. ^5, ПСЗ можно рассчитать с отношением скорости отскока к скорость удара.

Поэтому была построена экспериментальная установка для свободного падения тесты для изучения частиц стенки контакта частиц с диаметром от 0,1 мм до 4 мм. Преимущество свободного падения экспериментов по сравнению с ускоренными экспериментами как в Fu и др. ⁸ и Зоммерфельда и Huber ⁹ является то , что вращение может быть устранено. Следовательно, передача между вращательным и поступательным кинетической энергии, которая влияет на COR можно избежать. Частицы Асферические должны быть отмечены как в Ферстер и др. , ¹⁰ или Лоренц и др. ¹¹ , чтобы принять во внимание вращение. Поскольку COR зависит от скорости удара, скорости удара в экспериментах должны соответствовать те, в реальных и подъемно-транспортных процессов. В опытах свободного падения при атмосферном давлении, скорость удара ограниченаот силы сопротивления, оказывает все большее влияние для уменьшения размера частиц. Чтобы преодолеть этот недостаток, экспериментальная установка работает в условиях вакуума. Вторая задача состоит в том, чтобы отбросить только одну отдельную частицу с тех пор можно охарактеризовать все свойства, которые влияют на COR заранее, для поверхности экземпляра шероховатости и сцепления. С этим знанием, ПСЗ может быть определена в соответствии со свойствами частицы. Для этого был разработан новый механизм высвобождения. Другой проблемой является адгезионные силы порошков с диаметром нижней до 400 мкм. Таким образом, сухая и окружающая температура окружающей среды необходимо преодолеть адгезию.

Экспериментальная установка состоит из нескольких частей. Внешний вид существующей экспериментальной установки показана на рисунке 1. Во- первых, есть вакуумная камера , которая сделана из стекла. Она состоит из нижней части (цилиндра), верхнюю крышку, уплотнительное кольцо и втулку для подключениячасти. Нижняя часть имеет два отверстия для соединения с вакуумным насосом и вакуумметром. Верхняя крышка имеет четыре отверстия. Два из них необходимы для шашек спускового механизма, описанного ниже, а также два, которые могут быть использованы для дальнейшего улучшения эксперимента. Все эти отверстия могут быть закрыты с уплотнительными кольцами и винтовыми пробками при работе в условиях вакуума.

Кроме того, новый механизм высвобождения был разработан , так как использование вакуумного сопла , как и во многих других экспериментах , документированных в литературе (например , Ферстер и др. ^10, Лоренц и др. ^11, Fu и др. ¹² или Wong и др. ¹³⁾ не представляется возможным в вакуумной среде. Механизм реализуется с помощью цилиндрической камеры с коническим шпура, которая удерживается с помощью пластины. Это связано с палочкой, которая помещается в одном из уплотнительных колец верхней крышки вакуумной камеры и гарантирует регулировку variabле начальная высота для экспериментов свободного падения. Шкала обращается на палку для измерения высоты. Закрытие камеры дл частиц реализуется с помощью конического наконечника пипетки, который снова подключен к палке. Новый механизм высвобождения можно видеть на фиг.2 и работает , как описано здесь: в начальном состоянии кончик пипетки проталкивается вниз так, чтобы длина окружности наконечника касается края просверленного отверстия палаты. Камера закрыта с наконечником пипетки таким образом, что нет места для частицы покинуть камеру через отверстие. Чтобы освободить частицу, клюшка тянут вверх очень медленно вместе с наконечником, подключенного к нему. По мере того как диаметр наконечника становится меньше зазор между его окружности и краем шпура возникает, через которую частица может покинуть камеру. Хотя можно было бы ожидать вращение частицы с новым механизмом высвобождения как частица могла ролла 'из Чамбер, различное поведение появляется в экспериментах. На рисунке 3 показано влияние несферической частицы от 50 кадров до 50 кадров в после удара с шагом 25 кадров. Из формы частицы вращение не видно до удара (1-3), тогда как после этого он явно закручивает (4-5). Поэтому заявленное не-вращательный выпуск происходит с этим спусковым механизмом.

Другим компонентом экспериментальной установки является опорная плита. На самом деле существует три различных вида опорных плит, состоящих из различных материалов. Один изготовлен из нержавеющей стали, второй из алюминия и треть из поливинилхлорида (ПВХ). Эти опорные плиты представляют собой часто используемые материалы в технологических процессах, например, в реакторах и труб.

Для определения скорости удара и отскока, используется высокоскоростная камера с 10000 кадров в секунду и разрешением 528 х 396 пикселей. Эта конфигурация выбирается так как всегдаодна картина вблизи воздействия, а также разрешение по-прежнему удовлетворительным. Камера подключается к экрану, который показывает видео в тот момент, когда они записаны. Это необходимо, потому что высокая скорость камера может сохранять только ограниченное количество фотографий и переписывает начало видео, когда эта сумма превышена. Кроме того, сильный источник света для освещения поля зрения камеры высокоскоростного требуется. Для единообразия освещения лист бумаги технического рисунка наклеивается на обратной стороне вакуумной камеры, которая распространяется свет.

Наконец, двухступенчатый роторный насос используется для создания вакуума 0,1 мбар и вакуумметр измеряет вакуум, чтобы гарантировать постоянные условия окружающей среды.

Для здесь представленные работы стеклянные шарики разного диаметра частиц (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3.680 и 4.000 мм) используются. Шарики сделаны из натронной известистекла и имеют сферическую форму с довольно гладкой поверхностью.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Эксперименты с частицами грубее или равным 700 мкм

1. Подготовка экспериментальной установки
   1. Снимите втулку и поднимите верхнюю крышку вакуумной камеры. Поместите опорную плиту, состоящую из нужного материала стенки в вакуумной камере. Поверните нижнюю часть вакуумной камеры в сторону, чтобы скользить в тарелку, осторожно руками.
   2. Место точно одна из частиц, которые будут рассмотрены с помощью пинцета в центре опорной плиты. После регулировки высоты камеры со штатива таким образом, что опорная плита находится в самом низком квартале поля зрения и фокус на частицу.
   3. Удалите частицы с помощью пинцета.
2. Экспериментальная процедура
   1. Высоту камеры дл частиц таким образом, что достигается желаемая скорость удара частицы. Используйте шкалу на палке, прикрепленной к удерживающей пластине как индикатор высоты. Закройте камеру дл частиц скончик пипетки, толкая его вниз так, что окружность пипеткой касается края шпура палаты. Откройте втулку и поднимите верхнюю крышку вакуумной камеры.
   2. Положите одну сферу в камере частиц с помощью пинцета. Сфера может быть твердым или жидким наполнителем (как в Louge и др. , ^14), в зависимости от того , какие частицы должны быть проанализированы. Тем не менее, в данной работе рассматриваются только твердые частицы. Поместите верхнюю крышку на нижней части вакуумной камеры (цилиндра) и соединить верхнюю крышку и нижнюю часть вакуумной камеры с втулкой.
   3. Вакуумирование камеры с вакуумным насосом до уровня 0,1 мбар (или любого другого желаемого значения) пока не будет достигнута. Измерьте давление с вакуумметром. Закройте клапан на стороне вакуумной камеры и выключите вакуумный насос. Носите защитные очки при работе в условиях вакуума.
   4. Применить частоту кадров 10000 кадров в секунду и настроить параметры камеры (постулироватьион / зум), чтобы получить разрешение 528 х 396 пикселей. Начните запись камеры высокоскоростного и открыть отверстие камеры дл частиц, чтобы освободить частицу. Одновременно потянуть и вращать ручку, прикрепленную к кончика пипетки, чтобы избежать проблем скачкообразного из-за высокого трения между палкой и уплотнительным кольцом.
   5. Остановить запись камеры непосредственно после удара, потому что только ограниченное количество фотографий могут быть сохранены и первые из них будут перезаписаны, когда этот предел превышен. Вырезать фильм вокруг момент удара на экране и сохранить его на карте памяти.
   6. Повторите эксперимент десять раз для получения статистически значимых результатов. Результаты являются статистически значимыми, если после десяти повторений, среднее значение не изменяется больше (это может быть различным для других материалов в зависимости от однородности образца или других форм частиц).
3. Процедура оценки
   1. Калибровка программного обеспечения с ноуп размер частицы или другого объекта, используя один кадр видео, сделанные в шаге 1.2.4, чтобы получить преобразование между пикселей и расстояний. Используйте горизонтальный диаметр, как это не размыты из-за движения частицы.
      1. Подсчитайте количество пикселей горизонтального диаметра, а затем разделить на известное расстояние по количеству пикселей, чтобы получить коэффициент преобразования 'расстояние на пиксель. Изображение процесса калибровки показан на рисунке 4.
   2. Установить опорную точку движения на верхней части сферы десять кадров до и один кадр до удара для расчета скорости удара. На рисунке 5 представлены две опорные точки движения. С помощью коэффициента преобразования из шага 1.3.1, используйте количество пикселей между двумя точками, чтобы получить пройденное расстояние. Разделить расстояние по пройденному времени (произведение количества кадров и временного шага), чтобы получить скорость в момент удара.
   3. Установить опорную точкудвижение на верхней части сферы одного кадра после и десять кадров после воздействия вычислить скорость отскока. Определить скорость отскока аналогично этапу 1.3.2.
   4. Вычислить COR как отношение скорости отскока к скорости удара.
   5. Повторите шаги 1.3.1-1.3.4 для оценки всех записанных тестов падение видео.

2. Эксперименты с порошками Файнер или равным 400 мкм

1. Подготовка экспериментальной установки
   1. Снимите втулку и поднимите верхнюю крышку вакуумной камеры. Поместите опорную плиту, состоящую из нужного материала стенки в вакуумной камере. Поверните нижнюю часть вакуумной камеры в сторону, чтобы скользить в тарелку, осторожно руками.
   2. Поместите адекватный эталонный объект, такой как частицы с известным размером в центре опорной плиты с помощью пинцета. После регулировки высоты камеры со штатива таким образом, что опорная плита находится в самом низком кварталевизуального поля и эталонный объект.
   3. Запишите короткое видео эталонного объекта, когда он лежит на опорной плите с точно такими же параметрами, как и в последующих экспериментах.
   4. Удалите эталонный объект с помощью пинцета.
2. Экспериментальная процедура
   1. Высоту камеры дл частиц таким образом, что достигается желаемая скорость удара частицы. Используйте шкалу на палке, прикрепленной к удерживающей пластине как индикатор высоты. Закройте камеру дл частиц с кончиком пипетки, толкая его вниз таким образом, чтобы длина окружности пипеткой касается края просверленного отверстия палаты. Откройте втулку и поднимите верхнюю крышку вакуумной камеры.
   2. Помещенный от 50 до 100 сфер в камере частиц. Для руководства сферы в камеру частицы, депонировать их сначала на сложенный лист бумаги. Используйте сложенную бумагу в виде канавки, чтобы скользить частицы в камеру. Поместите верхнюю крышку на тон нижней части вакуумной камеры (цилиндра) и соединить верхнюю крышку и нижнюю часть вакуумной камеры с втулкой.
   3. Вакуумирование камеры с вакуумным насосом до уровня 0,1 мбар (или любого другого желаемого значения) пока не будет достигнута. Измерьте давление с вакуумметром. Закройте клапан на стороне вакуумной камеры и выключите вакуумный насос. Носите защитные очки при работе в условиях вакуума.
   4. Начните запись камеры высокоскоростной с 10000 кадров в секунду и разрешением 528 х 396 пикселей и открыть отверстие камеры дл частиц, чтобы освободить частицы. Одновременно потянуть и вращать ручку, прикрепленную к кончика пипетки, чтобы избежать проблем скачкообразного из-за высокого трения между палкой и уплотнительным кольцом. Вытащите очень медленно, чтобы не допустить, чтобы все частицы падать в то же время.
   5. Остановить запись камеры 5 до 6 секунд после удара первой частицы, поскольку только ограниченное количество снимков может быть сохранена и пихтай из них будут перезаписаны, когда этот предел превышен. Вырезать фильм на экране таким образом, что по меньшей мере 10 четко сориентированы воздействие частиц являются видимыми и сохранить его на карте памяти.
3. Процедура оценки
   1. Калибровка программного обеспечения с известным размером эталонного объекта из видео шага 2.1.3, чтобы получить преобразование между пикселей и расстояний. Подсчитайте число пикселей размер эталонного объекта, а затем разделить известное расстояние на число пикселей, чтобы получить коэффициент преобразования 'расстояние на пиксель.
   2. Установить опорную точку движения на верхней части первой четко ориентированной сферы в видео десять кадров до и один кадр до удара для расчета скорости удара. Вычислить скорость удара аналогично этапу 1.3.2 вместе с коэффициентом преобразования с шага 2.3.1.
   3. Установить опорную точку движения на верхней части первой четко ориентированной сферы одного кадра после того, как и десять кадров на кормеэр влияние рассчитать скорость отскока. Вычислить скорость отскока аналогично этапу 2.3.2.
   4. Вычислить COR как отношение скорости отскока к скорости удара.
   5. Повторите шаги 2.3.2-2.3.3 для оценки воздействия еще девять четко сфокусированной сфер.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Для анализа частиц стекла диаметром от 100 мкм до 4,0 мм сбрасывались с начальной высотой 200 мм на основании из нержавеющей стали толщиной 20 мм.

На рисунке 6 показаны средние значения, а также максимальные и минимальные значения д...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

To validate the functionality of the experimental setup in general, tests with similar material combinations as in other established setups (Antonyuk et al.⁵ and Wong et al.¹³) were performed. Since very similar results were obtained, the general procedure seems to work. Nevertheless, caution has to be taken towards the procedure and the analysis and further improvements are necessary.

The main limitation of the experimental setup is the quality of the v...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
High-speed camera Olympus i-SPEED 3	Olympus		High-speed camera to capture the particle impact
Screen Olympus i-SPEED CDU	Olympus		Screen to work with the high-speed camera
Light source Olympus ILP-2	Olympus		Light source necessary for taking videos at high frame rates
Vacuum pump Alcatel Pascale 2005 D	Alcatel		Vacuum pump to generate the vacuum during the experiments
Vacuum gauge Alcatel CFA 212	Alcatel		Vacuum gauge to measure the vacuum level
i-SPEED Software Suite (Control version)	Olympus		Software to evaluate the videos
Glass beads	Sigmund Lindner GmbH		SiLibeads Type P (0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680, 4.000 mm) SiLibeads Type S (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4 mm) http://www.sigmund-lindner.com (see supplier's website for more information about the glass properties)
Safety goggles