Vakum Koşullarında Restitüsyon katsayısı ölçümü için bir deneysel Kur Geliştirilmesi

Özet

iade katsayısı çarpışma sırasında kinetik enerji kaybını tarif eden bir parametredir. Burada, vakum koşulları altında serbest düşme kurulum yüksek darbe hızları mikrometre aralığındaki partiküller için iade parametresinin katsayısı tespit edebilmek için geliştirilmiştir.

Özet

Ayrık Elemanlar Yöntemi tanımlamak ve analiz onları, tahmin etmek ve daha sonra bir sürecin tek aşamalarında, hatta bütün bir süreç için kendi davranışlarını optimize etmek için partikül sistemleri simülasyonu için kullanılır. parçacık-parçacık ve parçacık-duvar kişileri meydana gelen simülasyonu için, restitüsyon katsayısının değeri gereklidir. Deneysel olarak tespit edilebilir. restitüsyon katsayısı darbe hızı gibi birçok parametreye bağlıdır. Özellikle ince parçacıklar için çarpma hızı, hava basıncına bağlıdır ve atmosfer basıncı altında, yüksek darbe hızları ulaşılamıyor. Bunun için, vakum altında serbest düşme testleri için yeni bir deney düzeneği geliştirilmiştir. iade katsayısı yüksek hızlı kamera tarafından algılanır etki ve geri tepme hızı ile belirlenir. görünümünü engellemeyen için, vakum odası camdan yapılmıştır. Ayrıca yeni bir salma mekanizması, vakum altında tek parçacık damlaKoşullar imal edilir. Buna bağlı olarak, parçacık tüm özelliklerinin daha önce karakterize edilebilir.

Giriş

Tozlar ve granüller çevremizdeki her yerde vardır. Onlarsız bir hayat modern toplumlarda mümkün değildir. Onlar tahıl, hatta un, şeker, kahve ve kakao gibi yiyecek ve içecekler görünür. Onlar lazer yazıcı için toner gibi günlük kullanılan nesneler için ihtiyaç vardır. erimiş ve yeni bir şekil verilmeden önce plastik granül formda taşınır çünkü Ayrıca plastik sanayi, onlarsız hayal değil. Değer Ennis vd. ¹ en az% 40 kimya sanayi (tarım, gıda, ilaç, mineraller, mühimmat) tarafından Amerika Birleşik Devletleri, tüketici fiyat endeksine ilave sonra partikül teknolojisi bağlanır. Nedderman ² da ürünleri ve hammadde% 75, en az yaklaşık% 50 (ağırlık) kimya endüstrisi granül katı olduğunu belirtti. O da taneli malzemelerin depolanması ve nakliyesi ile ilgili pek çok sorun çıkarırlar açıkladı. Bunlardan biri, taşıma ve handli sırasında olduğung birçok çarpışmalar gerçekleşecek. Analiz tanımlamak ve bir partikül sisteminin davranışını tahmin etmek için, Ayrık Elemanlar Yöntemi (DEM) simülasyonları yapılabilir. partikül sisteminin çarpışma davranışı bu simülasyonlar bilgisi için gereklidir. DEM simülasyonlarda bu davranışı açıklar parametre deneylerinde belirlenen zorundadır iade (COR) katsayısı.

COR SEIFRIED ve arkadaşları tarafından tarif edildiği gibi darbe esnasında kinetik enerji kaybını karakterize eden bir sayıdır. ^3.. Onlar bu plastik deformasyonlar, dalga yayılımı ve viskoelastik olayların neden olduğu açıkladı. Thornton ve Ning ⁴ ayrıca bazı enerji yapışma arayüzü nedeniyle çalışma ile harcanmış olabileceğini belirtti. Antonyuk ve arkadaşları de belirtildiği gibi COR darbe hızı, malzeme davranışı, parçacık boyutu, şekli, pürüzlülüğü, nem içeriği, yapışma özellikleri ve sıcaklığa bağlıdır. ^5. Bir completel içiniletişim ortakları arasındaki göreceli hız öncesi ve darbe sonrası eşit olacak şekilde y elastik darbe tüm absorbe enerji çarpışma sonra iade edilir. Bu, tüm ilk kinetik enerjisi emilir mükemmel plastik etkisi sırasında e = 1. Bir COR yol açar ve iletişim ortakları e bir COR yol açan birbirine yapışıyor = 0. Ayrıca, Güttler ve ark., ⁶ olduğunu açıkladı iki çarpışmalar türleri. Bir yandan, aynı zamanda, parçacık parçacık temas olarak bilinen iki alan arasındaki çarpışma vardır. Öte yandan, bir küre ve partikül duvar iletişim adlandırılan bir plaka arasındaki çarpışma vardır. COR için veri ve katsayısı gibi diğer malzeme özellikleri ile sürtünme, yoğunluk, Poisson oranı ve kayma modülü DEM simülasyonlar olarak Bharadwaj ve ark., ⁷ ile açıklanabilir parçacıkların çarpışma sonrası hızları ve yönelimlerini belirlemek için yapılabilir. sho olarakwn bölgesindeki Antonyuk ve ark., ^5, COR hız darbe geri tepme hızı oranı hesaplanabilir.

Bu nedenle, serbest düşüş testleri 4 mm'ye 0.1 mm bir çapı olan parçacıkların parçacık-duvara temas incelemek için bir deney düzeneği oluşturulmuştur. Fu ve ark., ⁸ ve Sommerfeld ve Huber ⁹ gibi hızlandırılmış deneylere göre serbest düşüş deneyleri avantajı dönüşü ortadan olabilir olmasıdır. Bu nedenle, COR etkiler rotasyonel ve kinetik enerjisi arasında transfer önlenebilir. Asferik parçacıklar Foerster ve ark. ¹⁰ veya Lorenz ve ark olarak işaretlenmesi gerekmektedir. ¹¹ hesaba dönüşünü almak. COR darbe hızına bağlı olarak gibi, deneylerde darbe hızları gerçek nakliye ve taşıma süreçlerinde olanlar eşleşmesi gerekir. atmosfer basıncı altında serbest düşme deneylerde, darbe hızı sınırlıdırsürükleme kuvveti ile, azalan parçacık boyutu artan bir etkisi olan. Bu dezavantajı gidermek için, deney düzeneği vakum koşulları altında çalışmaktadır. İkinci zorluk o örneği yüzey pürüzlülüğü ve yapışma için, önceden COR etkileyen tüm özelliklerini karakterize etmek mümkündür çünkü sadece tek bir parçacık bırakmaktır. Bu bilgi ile, COR parçacığın özelliklerine göre tespit edilebilir. Bu, yeni bir serbest bırakma mekanizması geliştirilmiştir. Başka bir sorun 400 mikron aşağı bir çapa sahip tozların yapışkan güçlerdir. Bu nedenle, kuru ve ortam sıcaklık ortamında yapışmayı önlemek için gereklidir.

deney düzeneği birkaç bölümden oluşur. Mevcut deney düzeneği bir dış görünüm Şekil 1'de gösterilmiştir. Birincisi, camdan yapılmış olan vakum odası vardır. Bu alt kısmında (silindir) oluşan, yani bir üst kapak, bir sızdırmazlık halkası ve bir manşon bağlamakparçalar. alt kısmı vakum pompası ve vakum göstergesi olan bir bağlantı için iki açıklık vardır. Üst kapağı dört açıklıkları vardır. Bunlardan ikisi deney daha fazla ilerleme için kullanılabilir, aynı zamanda, iki aşağıda tarif salma mekanizmasının ve sopalarla için gereklidir. Bütün bu açıklıklar conta halkaları ve vidalı kapakları vakum koşulları altında çalışan ile kapatılabilir.

Ayrıca, yeni bir serbest bırakma mekanizması literatürde belgelenmiştir diğer deneylerde olduğu gibi, bir vakum memesi kullanımı yana geliştirilmiştir (örneğin Foerster ve ark., ^10, Lorenz ve ^{diğ., 11} Fu ve ^{diğerleri., 12} veya Wong ve ark. ¹³⁾ bir vakum ortamında mümkün değildir. mekanizma, bir plaka ile tutulur konik matkap deliği olan silindir şeklinde bir bölme ile gerçekleştirilmektedir. Bu vakum odasının üst kapağın keçelerin birinde uyuyor ve bir variab ayarlanmasını garanti eden bir sopa bağlanırserbest düşüş deneyler için le ilk yükseklik. Bir ölçek yüksekliğini ölçmek için sopa çizilir. Parçacık bölmesinin kapama tekrar çubuk bağlı olan bir pipet konik ucu ile uygulanmaktadır. Burada açıklandığı gibi yeni serbest bırakma mekanizması Şekil 2'de görüldüğü ve işler olabilir: ucu çevresi bölmenin deliğin kenarına değecek şekilde ilk devlet pipet aşağı itilir. odası bir tanecik delikten bölmesini terk için bir boşluk vardır, öyle ki pipet ile kapatılır. parçacık serbest bırakmak için, sopa ona bağlı ucu ile çok yavaş birlikte yukarı doğru çekilir. ucunun çapı küçülüyor gibi çevresi ve matkap deliği kenarı arasında bir boşluk parçacık odasını terk hangi aracılığıyla ortaya çıkar. bir cham dışarı parçacık olabilir 'roll' olarak yeni geliştirilmiş serbest bırakma mekanizması ile parçacığın bir rotasyon beklediğiniz rağmenber, farklı bir davranış deneylerinde görünür. 3 25 kare adımlarla darbeden sonra 50 kareye kadar önce 50 kare bir asferik parçacığın etkisini göstermektedir. parçacığın şeklinden hiçbir rotasyon etkisi (1-3) ise daha sonra açıkça spin (4-5) önünde görünür. Bu nedenle talep olmayan dönme sürümü bu serbest bırakma mekanizması ile gerçekleşiyor.

deney düzeneği başka bir bileşen taban plakası olduğunu. Aslında, farklı malzemelerden oluşan taban plakaları, üç farklı türleri bulunmaktadır. Bir paslanmaz çelik, alüminyum, bir ikinci ve polivinil klorür üçte (PVC) imal edilir. Bu Seletler reaktörlerde ve tüplerde örneğin proses mühendisliği sık kullanılan malzemeler temsil etmektedir.

darbe ve geri tepme hızları belirlemek için, 10.000 fps ile yüksek hızlı kamera ve 528 x 396 piksel çözünürlük kullanılır. her zaman olduğu gibi bu konfigürasyon seçilmiştirbir darbe yakın resim ve aynı zamanda çözünürlük hala tatmin edicidir. Kamera kaydedildikleri zaman anında videoları gösteren bir ekrana bağlanır. yüksek hızlı kamera sadece fotoğraf sınırlı bir miktarda tasarruf ve bu miktar aşıldığında videonun başlangıcını üzerine yazar, çünkü bu, gereklidir. Ayrıca, yüksek hızlı kamera görme alanının aydınlatılması için güçlü bir ışık kaynağı gereklidir. aydınlatma eşitliğinin sağlanması için teknik çizim bir kağıt ışığı yayılır vakum odasının arka üzerine yapıştırılır.

Son olarak, iki aşamalı bir döner pervane pompası 0.1 mbar'lık bir vakum ve bir vakum göstergesi önlemler sabit çevre şartları garanti altına almak için, vakum oluşturmak için kullanılır.

Farklı parçacık çapları (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 ve 4.000 mm) Burada sunulan çalışma cam boncuklar kullanılır. boncuklar soda kireç yapılırCam ve oldukça düzgün yüzeyli küreseldir.

Protokol

1. Parçacıklar daha kaba olan deneyler veya 700 um eşit

1. deney düzeneği hazırlama
   1. kol çıkarın ve vakum odasının üst kapağını kaldırın. Vakum odası içinde istenen duvar malzemeden oluşan taban plakasını yerleştirin. eliyle dikkatle plaka slayt vakum odası yanlara alt kısmını çevirin.
   2. Yer tam tanecikler için bir taban plakasının merkezinde cımbız ile incelenecek. Daha sonra taban plakası görme alanı en çeyreğinde olduğu şekilde bir tripod ile kameranın yüksekliğini ayarlamak ve parçacık odaklanmak.
   3. cımbız kullanarak parçacık çıkarın.
2. Deneysel prosedür
   1. Parçacığın istenen darbe hızı ulaşılır şekilde partikül odasının yüksekliğini ayarlar. yükseklikte bir göstergesi olarak tutma plakasına bağlı sopa ölçeği kullanın. parçacık odasına yakınpipet çevresi bölmenin deliğin kenarına değecek şekilde aşağı doğru iterek pipet ucu. kol açın ve vakum odasının üst kapağını kaldırın.
   2. Cımbız ile parçacık odasında tek küre koyun. Küre analiz edilecektir parçacıkların ne tür bağlı olarak katı veya sıvı dolgulu (Louge ve ark. ¹⁴ gibi) olabilir. Bununla birlikte, bu çalışmada sadece katı parçacıklar incelenir. Vakum odasının (silindir) alt kısmında üst kapağı koyun ve üst kapak ve kol ile vakum bölmesinin alt kısmı bağlayın.
   3. 0.1 mbar (veya başka bir istenen değere) bir düzeyi elde edilene dek vakum pompası ile odasını boşaltın. Bir vakum ölçer ile basıncını ölçmek. vakum odasının yan tarafındaki vanayı kapatın ve vakum pompası kapatın. vakum koşullarında çalışırken koruyucu gözlük takın.
   4. (Varsaymak 10.000 fps kare hızı uygulayın ve kamera ayarlarınıiyon / zoom) 528 x 396 piksel çözünürlüğe elde etmek. Yüksek hızlı kamera kaydını başlatmak ve parçacık kurtarmak için parçacık odasının deliğini açın. Eşzamanlı olarak çekin ve bağlı sopa ve mühür halkası arasındaki yüksek sürtünme sopa-kayma sorunları önlemek için pipet ucu bağlı sopa çevirin.
   5. resim sadece sınırlı bir miktarda tasarruf edilebilir ve bu limit aşıldığında ilk olanlar yazılır çünkü doğrudan darbeden sonra kameranın Kaydı durdur. ekrana darbe anında etrafında film kesmek ve hafıza kartına kaydedin.
   6. istatistiksel olarak anlamlı sonuçlar elde etmek için deneyini on kez tekrarlayın. On tekrarlar sonra, ortalama değer artık değiştirmez eğer sonuçlar istatistiksel olarak anlamlıdır (Bu örnek ya da diğer parçacık şekillerinin homojenliği bağlı diğer malzemeler için farklı olabilir).
3. değerlendirme Prosedürü
   1. know yazılımı kalibreBir parçacık veya piksel ve mesafeler arasında bir dönüşüm elde etmek için adım 1.2.4 yapılan videonun bir çerçeve kullanarak başka bir nesnenin n boyutu. o bulanık değil vadesi parçacığın hareketi yatay çapı kullanın.
      1. Yatay çap piksel sayısını ve sonra dönüşüm faktörü 'piksel başına mesafeyi' almak için piksel sayısına göre bilinen mesafeyi bölün. Kalibrasyon sürecinin bir resmi, Şekil 4'te gösterilmiştir.
   2. . Küre on kare öncesi ve darbe hızını hesaplamak için darbe öncesi bir çerçeve üstünde hareket bir referans noktası olarak ayarlayın 5 hareket iki referans noktaları sunar Şekil. Adım 1.3.1 dönüşüm faktörü, katedilen mesafeyi elde etmek için iki nokta arasındaki piksel sayısını kullanın. çarpma hızı elde etmek için geçen süre (çerçeveler ve zaman adımı sayısı ürünü) ile mesafeyi bölün.
   3. Bir referans noktası olarak ayarlayınsonra küre bir çerçevenin üst ve çarpışma sonrası on kare üzerinde hareket ribaund hızını hesaplamak için. 1.3.2 adıma benzer geri tepme hızı belirleyin.
   4. darbe hızına geri tepme hızı oranı olarak COR hesaplayın.
   5. Kaydedilen tüm düşme testi videoları değerlendirilmesi için adımlarını 1.3.1-1.3.4 tekrarlayın.

2. Tozlar Finer ile deneyler ya da 400 mikron eşit

1. deney düzeneği hazırlama
   1. kol çıkarın ve vakum odasının üst kapağını kaldırın. Vakum odası içinde istenen duvar malzemeden oluşan taban plakasını yerleştirin. eliyle dikkatle plaka slayt vakum odası yanlara alt kısmını çevirin.
   2. cımbız ile taban plakası merkezinde bilinen boyutu olan bir parçacık olarak yeterli bir referans nesnesi yerleştirin. Daha sonra taban plakası en düşük çeyreğinde olduğu şekilde bir tripod ile kamera yüksekliğini ayarlamakgörme alanı ve referans nesne odaklanır.
   3. aşağıdaki deneylerde tam olarak aynı ayarlarla taban plakası üzerine yatan referans nesnenin kısa bir video kaydetmek.
   4. cımbız kullanarak referans nesneyi kaldırın.
2. Deneysel prosedür
   1. Parçacığın istenen darbe hızı ulaşılır şekilde partikül odasının yüksekliğini ayarlar. yükseklikte bir göstergesi olarak tutma plakasına bağlı sopa ölçeği kullanın. pipet çevresi bölmenin deliğin kenarına değecek şekilde aşağı doğru iterek pipet ucu ile parçacık odasını kapatın. kol açın ve vakum odasının üst kapağını kaldırın.
   2. Parçacık odası içinde 50 ila 100 küreler koyun. parçacık odasına küreler rehberlik etmek, bir kağıt katlanmış kağıda bunları ilk yatırmak. odasına partiküllerin slayt bir oluk olarak katlanmış kağıt kullanın. t üst kapağı yerleştirinO vakum odası (silindir) alt kısmı ve üst kapağı ve kol ile vakum bölmesinin alt kısmı bağlayın.
   3. 0.1 mbar (veya başka bir istenen değere) bir düzeyi elde edilene dek vakum pompası ile odasını boşaltın. Bir vakum ölçer ile basıncını ölçmek. vakum odasının yan tarafındaki vanayı kapatın ve vakum pompası kapatın. vakum koşullarında çalışırken koruyucu gözlük takın.
   4. 10.000 fps ile yüksek hızlı kamera ve 528 x 396 piksel çözünürlükte kaydını başlatmak ve tanecikleri serbest parçacık odasının deliğini açın. Eşzamanlı olarak çekin ve bağlı sopa ve mühür halkası arasındaki yüksek sürtünme sopa-kayma sorunları önlemek için pipet ucu bağlı sopa çevirin. tüm parçacıklar aynı anda açılan önlemek için çok yavaş çekin.
   5. İlk parçacığın darbe sonrası 6 sn kamera 5 Kaydı durdur resimlerin sadece sınırlı bir miktarda tasarruf edilebilir, çünkü ve köknarBu sınır aşıldığında st olanlar yazılır. parçacıkların en az 10 net odaklı etkileri görülebilir böyle bir şekilde ekrana film kesmek ve hafıza kartına kaydedin.
3. değerlendirme Prosedürü
   1. piksel ve mesafeler arasında bir dönüşüm elde etmek için adım 2.1.3 videodan referans nesnenin bilinen boyutu ile yazılım kalibre edin. referans nesnenin büyüklüğünün piksel sayısını ve sonra dönüşüm faktörü 'piksel başına mesafeyi' almak için piksel sayısına göre bilinen mesafeyi bölün.
   2. çarpma hızı hesaplamak için darbe öncesi on kare önce videonun ilk açıkça odaklanmış kürenin üst ve bir çerçeve üzerinde hareket bir referans noktası olarak ayarlayın. Adım 2.3.1 dönüşüm faktörü ile birlikte 1.3.2 adıma benzer çarpma hızı hesaplayın.
   3. sonra ilk açıkça odaklanmış küre bir çerçevenin üstünde hareket bir referans noktası olarak ayarlayın ve on kare kıçer darbe ribaund hızını hesaplamak için. 2.3.2 adıma benzer geri tepme hızı hesaplayın.
   4. darbe hızına geri tepme hızı oranı olarak COR hesaplayın.
   5. Tekrarlayın başka dokuz açıkça odaklanmış küreler etkilerinin değerlendirilmesi için 2.3.2-2.3.3 adımları.

Sonuçlar

100 um mm ila 4.0 bir çapı olan analizi cam parçacıkları için 20 mm kalınlığında paslanmaz çelik bir taban plakası 200 mm bir başlangıç ​​yükseklikten düştü.

Şekil 6, atmosfer basıncında ve vakum parçacık boyutuna bağlı olarak -COR için ortalama değerleri ve maksimum ve minimum değerleri gösterir. COR ortalama değeri büyük veya hava basıncı, 700 um, bağımsız eşit part...

Tartışmalar

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...

Malzemeler

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