Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions | Protocol (Translated to Danish)
Laboratorium Drop Towers for Eksperimentel Simulering af Dust-aggregerede kollisioner i tidlige solsystem…
Undersøgelse af sifon Breaker eksperiment ogSimulation for en forskningsreaktoren…
Echo Particle Billede Velocimetri
Restitutionskoefficienten er en parameter, der beskriver tabet af kinetisk energi under kollision. Her er et frit fald setup under vakuum udviklet til at kunne bestemme restitutionskoefficienten parameter for partikler i mikrometer vifte med stor gennemslagskraft hastigheder.
Den Discrete Element Metoden anvendes til simulering af partikler systemer til at beskrive og analysere dem, at forudsige og bagefter optimere deres adfærd for enlige stadier af en proces eller endda en hel proces. For simuleringen med forekommende partikel-partikel og partikel-væg kontakter, er værdien af ​​koefficienten tilbagelevering påkrævet. Den kan bestemmes eksperimentelt. Restitutionskoefficienten afhænger af flere parametre som anslagshastigheden. Især for fine partikler anslagshastigheden afhænger af lufttrykket og under atmosfærisk tryk og høj effekt hastigheder ikke kan nås. Til dette er en ny forsøgsopstilling for frit fald tests under vakuum udvikles. Restitutionskoefficienten bestemmes med virkningen og rebound hastighed, som registreres af en high-speed kamera. Ikke hindrer opfattelse er vakuumkammeret lavet af glas. Også en ny mekanisme release bortkaste et enkelt partikel under vakuumbetingelser er konstrueret. På grund af dette, kan alle egenskaber af partiklen på forhånd karakteriseret.
Pulvere og granulater er overalt omkring os. Et liv uden dem er umuligt i moderne samfund. De vises i fødevarer og drikkevarer som korn eller endda mel, sukker, kaffe og kakao. De er nødvendige for dagligt anvendte genstande som toneren til laserprinter. Også plastindustrien er ikke tænkelige uden dem, fordi plast transporteres i granuleret form, før det er smeltet og givet en ny form. Efter Ennis et al. 1 mindst 40% af værditilvæksten til forbrugerprisindekset i USA af den kemiske industri (landbrug, fødevarer, lægemidler, mineraler, ammunition) er forbundet til partikel-teknologi. Nedderman 2 selv udtalt, at omkring 50% (vægt) af produkter og mindst 75% af råvarerne er kornede faste stoffer i den kemiske industri. Han erklærede også, at der opstår mange problemer vedrørende opbevaring og transport af kornede materialer. En af disse er, at under transport og handling mange kollisioner finder sted. At analysere, beskrive og forudsige opførslen af ​​en partikelformet system kan udføres Discrete Element Method (DEM) simuleringer. For disse simuleringer kendskab til kollision adfærd for partikelsystemet er nødvendig. Den parameter, der beskriver denne adfærd i DEM simuleringer er restitutionskoefficienten (COR), der skal bestemmes i forsøg.
Regionsudvalget er et tal, der karakteriserer tabet af kinetisk energi under anslaget, som beskrevet af Seifried et al. Tre. De forklarede, at dette er forårsaget af plastiske deformationer, bølgeudbredelse og viskoelastiske fænomener. Thornton og Ning 4 nævnte også, at nogle energi kan blive afbødet ved arbejde på grund at interface vedhæftning. Regionsudvalget afhænger anslagshastighed, materialeopførsel, partikelstørrelse, form, ruhed, vandindhold adhæsionsegenskaber og temperatur som angivet i Antonyuk et al. 5. For en completely elastisk effekt alle absorberede energi returneres efter kollisionen, så den relative hastighed mellem kontaktpunkterne partnerne er lig før og efter effekt. Dette fører til en COR af e = 1. I en perfekt plast indvirkning al den indledende kinetiske energi absorberes, og kontaktpunkterne partnere klæber sammen, hvilket fører til en COR af e = 0. Desuden Güttler et al. 6 forklarede, at der er to typer af kollisioner. På den ene side er der den kollision mellem to kugler, som også er kendt som kontakten partikel-partikel. På den anden side er der kollisionen mellem en kugle og en plade, der også kaldes partikel-vægkontakt. Med data for Regionsudvalget og andre materialeegenskaber som friktionskoefficient, tæthed, kan udføres Poissons forhold og shear modul DEM simuleringer til at bestemme de post-kollisionsdæmper hastigheder og orienteringer af partiklerne som forklaret af Bharadwaj et al. 7. Som shown i Antonyuk et al. 5, kan Regionsudvalget beregnes med forholdet mellem rebound hastighed at påvirke hastigheden.
Derfor en forsøgsopstilling for frit fald tests for at undersøge den partikelbærende vægkontakt af partikler med en diameter fra 0,1 mm til 4 mm blev konstrueret. Fordelen ved frit fald eksperimenter i forhold til accelererede eksperimenter som i Fu et al. 8 og Sommerfeld og Huber 9 er at rotation kan elimineres. Derfor kan undgås overførsel mellem roterende og translationel kinetisk energi, som påvirker Regionsudvalget. Asfæriske partikler skal mærkes som i Foerster et al. 10 eller Lorenz et al. 11 for at tage drejning i betragtning. Som Regionsudvalget er afhængig af anslagshastighed, virkningen hastigheder i forsøgene nødt til at matche dem i de virkelige processer transport og håndtering. I frit fald eksperimenter under atmosfærisk tryk, er anslagshastigheden begrænsetaf trækkraften, der har en stigende indflydelse for en faldende partikelstørrelse. For at overvinde denne ulempe, forsøgsopstillingen arbejder under vakuum. En anden udfordring er at droppe blot en enkelt partikel siden da er det muligt at karakterisere alle egenskaber, der påvirker COR forhånd, f.eks ruhed og vedhæftning. Med denne viden, kan Regionsudvalget bestemmes efter egenskaber partiklen. Til dette blev en ny mekanisme release udviklet. Et andet spørgsmål er de adhæsive kræfter pulvere med en diameter mindre end 400 um. Derfor er en tør og omgivelsestemperatur miljø er nødvendigt for at overvinde adhæsion.
Forsøgsopstillingen består af flere dele. En udvendig afbildning af den eksisterende forsøgsopstillingen er vist i figur 1. For det første er der i vakuumkammeret, der er lavet af glas. Det består af en nedre del (cylinder), til et topdæksel, en tætningsring og en muffe forbindedele. Den nederste del har to åbninger til en forbindelse med vakuumpumpen og vakuummåleren. Topdækslet har fire åbninger. To af dem er nødvendige for pindene i frigørelsesmekanisme beskrevet nedenfor og også to, der kan anvendes til yderligere forbedringer af forsøget. Alle disse åbninger kan lukkes med tætningsringe og skruelåg når du arbejder under vakuum.
Desuden blev en ny mekanisme release udviklet, da brugen af et vakuum dyse som i mange andre forsøg dokumenteret i litteraturen (f.eks Foerster et al. 10, Lorenz et al. 11, Fu et al. 12 eller Wong et al. 13) er ikke muligt i et vakuummiljø. Mekanismen realiseres ved et cylindrisk kammer med en konisk borehul, der fastholdes af en plade. Dette er forbundet med en pind, der passer ind i en af ​​tætningsringene af topdækslet af vakuumkammeret og garanterer tilpasningen af ​​en variable indledende højde for frit fald eksperimenter. En skala trækkes på pinden til måling af højden. Lukningen af ​​partikelkammeret gennemføres af en konisk spids af en pipette, der er igen forbundet til en pind. Mekanismen nye udgivelse kan ses i figur 2 og fungerer som beskrevet her: i den oprindelige tilstand pipettespidsen skubbes ned, så omkredsen af spidsen rører kanten af kammerets borehullet. Kammeret lukkes med pipettespidsen sådan at der ikke er plads til en partikel til at forlade kammeret gennem hullet. For at frigøre partiklen, er staven trækkes opad meget langsomt sammen med spidsen forbundet til det. Som diameteren af ​​spidsen bliver mindre en kløft mellem dens omkreds og kanten af ​​hullet opstår gennem hvilket partiklen kan forlade kammeret. Selv om man kunne forvente en rotation af partiklen med mekanismen nyudviklede udgivelse som partiklen kunne "rulle" ud af chamber, vises en anden adfærd i forsøgene. Figur 3 viser virkningen af en asfærisk partikel fra 50 frames før til 50 frames efter virkningen i trin på 25 frames. Fra formen af ​​partiklen ingen rotation er synlig før konsekvenserne (1-3) henviser bagefter det naturligvis spins (4-5). Derfor hævdede ikke-roterende frigivelse finder sted med denne udløsermekanisme.
En anden komponent af forsøgsopstillingen er grundpladen. I virkeligheden er der tre forskellige typer af bundplader bestående af forskellige materialer. Den ene er fremstillet af rustfrit stål, en anden af ​​aluminium og en tredjedel af polyvinylchlorid (PVC). Disse bundplader repræsenterer ofte brugte materialer i procesteknik for eksempel i reaktorer og rør.
For at fastslå virkningen og rebound hastigheder, er et high-speed kamera med 10.000 fps og en opløsning på 528 x 396 pixels brugt. Denne konfiguration er valgt da der altidét billede nær virkningen og også opløsningen er stadig tilfredsstillende. Kameraet er forbundet med en skærm, der viser videoer i det øjeblik, hvor de optages. Dette er nødvendigt, fordi den høje hastighed kamera kun kan spare en begrænset mængde af billeder og overskriver begyndelsen af ​​videoen, når dette beløb er oversteget. Endvidere er en stærk lyskilde til belysning af synsfeltet af high-speed kamera påkrævet. Til belysning ensartethed et ark teknisk tegning papir er limet på bagsiden af ​​vakuumkammeret, der spreder lyset.
Endelig er en to-trins roterende vinge pumpe bruges til at etablere et vakuum på 0,1 mbar og en vakuum gauge måler vakuum for at sikre konstante miljøforhold.
For de her præsenterede arbejde glasperler med forskellige partikel diametre (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0.700, 1,588, 2,381, 2,780, 3.680 og 4.000 mm) anvendes. Perlerne er lavet af natronkalkglas og er sfæriske med en temmelig glat overflade.
1. Forsøg med Partikler Grovere eller lig med 700 um
Fremstilling af forsøgsopstillingen
Fjern muffen og løft topdækslet af vakuumkammeret. Placer bundpladen består af det ønskede vægmaterialet i vakuumkammeret. Drej den nederste del af vakuumkammeret sidelæns til at glide i pladen forsigtigt ved hænder.
Sted netop en af ​​de partikler, der skal undersøges med pincet i midten af ​​basispladen. Bagefter justere højden af ​​kameraet med et stativ på en sådan måde, at bundpladen er i den nederste fjerdedel af synsfeltet og fokusere på partiklen.
Fjern partiklen med en pincet.
Justere højden af ​​partiklen kammeret på en sådan måde, at den ønskede virkning partiklens hastighed er nået. Brug skalaen på pinden fastgjort til holdepladen som indikator for højden. Luk partikelkammeret medspidsen af ​​pipetten ved at skubbe det ned, så omkredsen af ​​pipetten rører kanten af ​​kammerets borehullet. Åbn bøsningen og løft topdækslet af vakuumkammeret.
Put en enkelt kugle i partiklen kammer med en pincet. Kuglen kan være fast eller væskefyldt (som i Louge et al. 14), afhængigt af hvilken type af partikler skal analyseres. Men i dette arbejde kun faste partikler undersøges. Placer topdækslet på den nedre del af vakuumkammeret (cylinder) og forbinde topdækslet og den nedre del af vakuumkammeret med muffen.
Evakuere kammeret med vakuumpumpen, indtil et niveau på 0,1 mbar (eller enhver anden ønsket værdi) nås. Mål trykket med en vakuummåler. Luk ventilen på siden af ​​vakuumkammeret og slukke for vakuumpumpen. Brug beskyttelsesbriller, når der arbejdes under vakuum.
Påfør en frame rate på 10.000 fps og indstilling af kameraet (position / zoom) for at opnå en opløsning på 528 x 396 pixels. Starte optagelsen af ​​high-speed kamera og åbne hullet i partikelkammeret at befri partiklen. Samtidig træk og drej pinden fastgjort til spidsen af ​​pipetten for at undgå stick-slip problemer på grund af høj friktion mellem stok og tætningsring.
Stop optagelsen af ​​kameraet direkte efter effekt, fordi kun en begrænset mængde billeder kan gemmes og de første overskrives, når denne grænse overskrides. Skær filmen omkring øjeblik af virkningen på skærmen og gemme det på hukommelseskortet.
Gentage eksperimentet ti gange for at opnå statistisk signifikante resultater. Resultaterne er statistisk signifikant, hvis efter ti gentagelser, er middelværdien ikke ændre længere (dette kan være anderledes for andre materialer, afhængigt af homogeniteten af ​​prøven eller andre partikel figurer).
Evaluering Procedure
Kalibrer software med den known størrelse med en partikel eller et andet formål ved hjælp af en ramme af video foretaget i trin 1.2.4 til opnåelse af en konvertering mellem pixels og afstande. Brug den vandrette diameter som det ikke er sløret på grund af partiklens bevægelse.
Tæl antallet af pixels i den vandrette diameter og derefter opdele den kendte afstand med antallet af pixels at få omregningsfaktoren 'distance per pixel. Et billede af kalibreringsprocessen er vist i figur 4.
Indstil et referencepunkt af bevægelse på toppen af kuglen ti billeder før og en ramme, før konsekvenserne at beregne anslagshastigheden. Figur 5 viser de to referencepunkter for bevægelse. Med omregningsfaktoren fra trin 1.3.1, anvende antallet af pixels mellem de to punkter for at opnå den tilbagelagte afstand. Divider afstanden med den øjeblikkeligt tid (produkt fra antallet af rammer og tid trin) til opnåelse af anslagshastigheden.
Sæt et referencepunktbevægelse på toppen af ​​kuglen én ramme efter ti billeder efter virkningen til at beregne rebound hastighed. Bestem rebound hastighed analogt til trin 1.3.2.
Beregn Regionsudvalget som forholdet mellem rebound hastighed til anslagshastighed.
Gentag trinene 1.3.1-1.3.4 for evaluering af alle registrerede droptest videoer.
2. Forsøg med Pudder Finer eller lig med 400 um
Placer en passende henvisning genstand, såsom en partikel med en kendt størrelse i midten af ​​basispladen med pincet. Bagefter justere højden af ​​kameraet med et stativ på en sådan måde, at bundpladen er i den nederste fjerdedel afsynsfeltet og fokusere referenceobjektet.
Optag en kort video af referencen objektet, når den ligger på bundpladen med nøjagtig de samme indstillinger som i de følgende forsøg.
Fjern henvisningen objekt med en pincet.
Justere højden af ​​partiklen kammeret på en sådan måde, at den ønskede virkning partiklens hastighed er nået. Brug skalaen på pinden fastgjort til holdepladen som indikator for højden. Luk partikelkammeret med spidsen af ​​pipetten ved at skubbe det ned, så omkredsen af ​​pipetten rører kanten af ​​kammerets borehullet. Åbn bøsningen og løft topdækslet af vakuumkammeret.
Sætte 50 til 100 kugler i partikelkammeret. For at guide de kugler ind i partiklen kammer, deponere dem først på et foldet stykke papir. Brug foldet papir som en rille til at skubbe partiklerne i kammeret. Placer topdækslet på than nedre del af vakuumkammeret (cylinder) og forbinde topdækslet og den nedre del af vakuumkammeret med muffen.
Start optagelse af high-speed kamera med 10.000 fps og en opløsning på 528 x 396 pixels og åbne hullet partiklens kammer for at befri partiklerne. Samtidig træk og drej pinden fastgjort til spidsen af ​​pipetten for at undgå stick-slip problemer på grund af den høje friktion mellem stok og tætningsring. Træk meget langsomt for at forhindre, at alle partiklerne falder på samme tid.
Stop optagelsen af ​​kameraet 5 til 6 sek efter virkningerne af den første partikel fordi kun en begrænset mængde billeder kan gemmes og granst dem overskrives, når denne grænse overskrides. Skær filmen på skærmen på en sådan måde, at mindst 10 skarpt fokuserede virkninger af partikler er synlige og gem den på hukommelseskortet.
Kalibrere software med den kendte størrelse af henvisningen objekt fra video fra trin 2.1.3 til opnåelse af en konvertering mellem pixels og afstande. Tæl antallet af pixels i størrelsen af ​​henvisningen objekt og derefter opdele den kendte afstand med antallet af pixels at få omregningsfaktoren 'distance per pixel.
Indstil et referencepunkt af bevægelse på toppen af ​​det første klart sigte sfære i videoen ti billeder før og en ramme, før konsekvenserne at beregne anslagshastigheden. Beregn anslagshastighed analogt til trin 1.3.2 sammen med omregningsfaktoren fra trin 2.3.1.
Indstil et referencepunkt af bevægelse på toppen af ​​det første klart fokuseret sfære én ramme efter ti frames agterudis de virkningen til at beregne rebound hastighed. Beregn rebound hastighed analogt til trin 2.3.2.
Gentag trin 2.3.2-2.3.3 til evaluering af virkningerne af yderligere ni skarpt fokuserede sfærer.
Til analysen glaspartikler med en diameter på 100 um til 4,0 mm blev droppet fra en første højde af 200 mm på en rustfri stål bundplade med en tykkelse på 20 mm.
Figur 6 viser de gennemsnitlige værdier samt den maksimale og minimale værdier for Regionsudvalget afhængig af partikelstørrelse for atmosfærisk tryk og vakuum. Gennemsnittet af Regionsudvalget er fundet at være ca. e = 0,9 for partikler større eller lig med 700 um uafhængig af lufttrykket.
For partikler med en diameter mindre end 400 um RU forbliver næsten konstant med en værdi på e = 0,9 under vakuum. Under atmosfærisk tryk Regionsudvalget falder med faldende partikeldiameter. En årsag til dette kan være, at luften foran partiklen komprimeres under frit fald whICH resulterer i slags en pude, der dæmper kollisionen, absorberer kinetisk energi og på grund af, der fører til en lavere COR. I begge tilfælde afvigelserne er højere end for grovere partikler. En forklaring på dette kan være, at de fine partikler havde kun på størrelse med et par pixels i videoer. Derfor fejlen som følge af valget af pixels i et sløret billede er intens.
Resultaterne for anslagshastigheden afhængigt af partikelstørrelse for atmosfærisk tryk og vakuum er vist i figur 7. For anslagshastigheden gennemsnitsværdierne, er grænseværdierne og den minimale vist. Middelværdien for anslagshastigsvektorens evalueres med ca v i = 2 ms -1 for partikler større end 700 um uafhængig af lufttrykket. En undtagelse vises for en partikel diameter på 700 um, hvor anslagshastighed er betydeligt lavere under vakuum ogendda lidt mere under atmosfærisk tryk. For en faldende partikeldiameter var forventet en faldende anslagshastigheden under atmosfærisk tryk. I modsætning til dette, bør anslagshastigheden forblive det samme under vakuum. Have et nærmere kig på den evalueringsmetode kan det ses, at for de partikler med en diameter på 700 um den kalibrering for konvertering mellem pixels og afstande er anderledes end for de grovere partikler. Forholdet mellem pixels per millimeter er væsentligt højere, hvilket resulterer i lavere hastigheder. En årsag til den falske kalibrering kan være, at kameraet ikke er i stand til at genkende formen af ​​de finere partikler korrekt. Under anvendelse af samme standardiserede kalibrering som for grovere partikler hastighederne virkninger er stadig tilnærmelsesvis i samme område og de afvigende værdier kan elimineres.
For pulvere med en diameter mindre end 400 um anslagshastighed Formindskervæsentligt med en faldende partikeldiameter under atmosfærisk tryk. Ligevægten af ​​luft friktionskraft og tyngdekraft, og også sedimentationshastigheden, er nået tidligere for finere partikler. I modsætning til dette, anslagshastigheden under vakuum er næsten konstant også for pulverne. Dette beviser teorien om et uendeligt accelererende partikel, når der ikke er luft, der kan resultere i et træk kraft, og på grund af, at en ligevægt af kræfter aldrig nås. Den viser også nødvendigheden af ​​vakuumbetingelser og dermed også den mekanisme nyudviklede frigivelse at nå høj slagstyrke hastigheder med fine partikler. I disse forsøg kun et mindre fald på anslagshastigheden er genkendelig som kan forklares ved, at kun et vakuum på 0,1 mbar blev nået som ikke er en perfekt vakuum. De meget højere afvigelser for partikler med en middeldiameter på 0,113 mm forekomme som indflydelsen af ​​fejl på grund af valget af de pixels i en blurred billede er højere for lavere hastigheder.
Figur 1. Exterior view af vakuumkammeret. Denne figur viser vakuumkammeret fra siden. Man kan se den nederste del med sine to åbninger for en forbindelse med vakuumpumpen og vakuummåleren. Desuden topdækslet med fire åbninger med tætningsringe og skruelåg er synlige. Tætningsringen er mellem den nedre del og den øvre del. Hylsteret blev fjernet i dette billede. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Slip mekanisme med partikel kammer og spidsen af en pipette. Dette tal beskriver den nyligt dmekanisme eveloped overgang til vakuum eksperimenter. For det første kan pladen holder cylindrisk kammer med en konisk udboring ses. Desuden de to pinde til indstilling af en variabel indledende højde og forbindelsen til den koniske spids af en pipette præsenteres. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Ikke-roterende frigivelse. Denne figur viser en række billeder af en asfærisk partikel fra 50 (1) og 25 frames (2), før virkningen såvel som på virkningen (3) og ved 25 (4) og 50 (5) rammer efter kollisionen. Den samme form af partiklen op på konsekvenserne afslører den ikke-roterende frigivelse. Venligst click her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Kalibrering af softwaren. Denne figur viser en partikel fra en video af et optaget frit fald eksperiment. Den røde linje repræsenterer størrelsen af partiklen og omfavner antallet af pixel, der er nødvendige for beregningen af omregningsfaktoren. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Referencepunkt af bevægelse. Denne figur viser en partikel i en video af en optaget frit fald eksperiment. De to røde krydser illustrere de to referencepunkter i bevægelse på toppen af ​​kuglen i respektive ramme: den øverste påe på ti frames før virkningen og den nederste på en ramme, inden virkningen. Afstanden mellem de to punkter bruges til at beregne effekten hastighed af partiklen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Indflydelse af partikelstørrelse og lufttryk på Regionsudvalget. Denne figur viser de gennemsnitlige værdier samt den maksimale og minimale værdier med fejlen søjler for Regionsudvalget afhængig af partikelstørrelsen. De blå diamanter repræsenterer resultater for eksperimenter under atmosfærisk tryk mens de orange cirkler viser resultater for eksperimenter under vakuum. Glaspartikler blev droppet på en rustfri stål bundplade fra en første højde af 200 mm. Hvert datapunkt repræsenterer middelværdien af ​​ti repetitions af eksperimentet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. Indflydelse af partikelstørrelse og lufttrykket for anslagshastigheden. Denne figur viser de gennemsnitlige værdier for anslagshastigheden afhængigt af partikelstørrelsen. Desuden de maksimale og minimale værdier skildret af fejlen barer præsenteres. De fyldte blå diamanter demonstrere resultater for eksperimenter under atmosfærisk tryk mens de fyldte orange cirkler vise resultater for eksperimenter under vakuum. Den tomme diamant og den tomme cirkel illustrerer outliers på grund af kalibrering spørgsmål. I eksperimenterne glaspartikler blev droppet på en rustfri stål bundplade fra en første højde af 200 mm. Hvert datapunkt repræsenterer middelværdienaf ti gentagelser af forsøget. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Fremtiden forsøgsopstilling. Dette tal viser fremtiden forsøgsopstilling for at minimere ustabilitet partiklens kammer under udgivelse. Den automatiserede setup med staven styret af bøsninger, samt tråden for tilslutning af staven til motoren via to remskiver er vist. Også rammen vises. Klik her for at se en større version af dette tal.