开发用于真空条件下测量恢复系数的实验装置

摘要

恢复系数是一个用于描述碰撞过程中动能损失的参数。本文中，在真空条件下建立了一种自由落体实验装置，可用于测定微米级颗粒在高撞击速度下的恢复系数参数。

摘要

离散元法用于颗粒系统的模拟，以描述和分析这些系统，并预测进而优化其在单个工艺阶段甚至整个工艺过程中的行为。在模拟涉及颗粒-颗粒和颗粒-壁面接触的过程中，需要使用恢复系数的数值，该数值可通过实验测定。恢复系数取决于多个参数，例如碰撞速度。特别是对于细小颗粒，碰撞速度受气压影响，在常压条件下难以达到较高的碰撞速度。为此，开发了一种在真空条件下进行自由落体测试的新型实验装置。通过高速相机检测颗粒的碰撞速度和回弹速度，从而确定恢复系数。为了不遮挡观测视野，真空室由玻璃制成。同时设计了一种新的释放机构，可在真空条件下释放单个颗粒。因此，可在实验前对颗粒的全部特性进行表征。

引言

粉末和颗粒在我们周围无处不在。在现代社会中，没有它们的生活是不可想象的。它们以谷物甚至面粉、糖、咖啡和可可的形式出现在食品和饮料中。日常用品也需要它们，例如激光打印机的碳粉。塑料工业同样离不开颗粒，因为塑料在熔化并重塑之前是以颗粒形式进行运输的。根据 Ennis et al.¹ 的研究，美国化学工业（农业、食品、药品、矿物、军用品）对消费者价格指数的增加值中，至少有 40% 与颗粒技术相关。Nedderman² 甚至指出，在化学工业中，约 50%（质量）的产品以及至少 75% 的原材料为颗粒状固体。他还提到，在颗粒材料的储存和运输过程中常常会出现许多问题。其中之一便是在运输和操作过程中会发生大量碰撞。为了分析、描述和预测颗粒体系的行为，可以进行离散元法（DEM）模拟。而进行此类模拟需要了解颗粒体系的碰撞行为。在 DEM 模拟中描述这一行为的参数是恢复系数（COR），该参数必须通过实验测定。

质心恢复系数（COR）是一个数值，用于表征碰撞过程中动能损失的程度，如 Seifried 所述。 等³他们解释说，这是由塑性变形、波的传播和粘弹性现象引起的。Thornton 和 Ning⁴ 还提到，由于界面粘附作用，部分能量可能以做功的形式耗散。恢复系数（COR）取决于冲击速度、材料行为、颗粒尺寸、形状、粗糙度、含水量、粘附特性以及温度，如Antonyuk所述。 <....

方案

1. 粒径大于或等于 700 µm 的颗粒实验

1. 实验装置的准备
   1. 取下套筒并打开真空室的顶盖。将由所需壁面材料制成的基板放入真空室中。将真空室的下部侧向转动，用手小心地滑入基板。
   2. 使用镊子将待测颗粒中的一个精确放置在基板中心。随后调整相机三脚架的高度，使基板位于视野的最低四分之一区域，并对准颗粒进行聚焦。
   3. 使用镊子移除颗粒。
2. 实验步骤
   1. 调节颗粒室的高度，以达到颗粒所需的撞击速度。利用固定板上附着的标尺作为高度指示。用移液枪的尖端关闭颗粒室，将其向下推，使移液枪的周缘接触颗粒室钻孔的边缘。打开套筒并掀开真空室的顶盖。
   2. 用镊子将单个球体放入颗粒室中。该球体可以是实心或液体填充的（如 Louge et al.¹⁴ 所述），具体取决于需要分析的颗粒类型。然而，在本研究中仅考察实心颗粒。将顶盖放置在真空室的下部（圆筒部分），并用套筒连接顶盖与真空室下部。
   3. 使用真空泵对腔体抽真空，直至达到 0.1 mbar（或其他所需值）。使用真空计测量压力。关闭真空室侧面的阀门，并关闭真空泵。在真空条件下操作时需佩戴安全护目镜。
   4. 设置帧率为 10,000 fps，并调整相机设置（位置/变焦），以获得 528 × 396 像素的分辨率。启动高速相机的录制，同时打开颗粒室的孔以释放颗粒。同时拉动并....

结果

将直径为100 µm至4.0 mm的玻璃颗粒从200 mm的初始高度自由下落至厚度为20 mm的不锈钢基板上进行分析。

图6展示了在常压和真空条件下，恢复系数（COR）随颗粒尺寸变化的平均值、最大值和最小值。对于粒径大于或等于700 µm的颗粒，无论空气压力如何，其恢复系数（COR）的平均值均约为e = 0.9。

对于直径小于400 µm的颗粒，在真空条件下恢复系数几乎保持恒定，其值为e = 0.9。在大气压力下，恢复系数随颗粒直径的减小而降低。造成这一现象的原因可能是：颗粒自由下落过程中，其前方的空气被压缩，形成一种类似缓冲垫的作用，从而抑制碰撞、吸收动能，导致恢复系数降低。在这两种情况下，细颗粒的偏差均大于较粗颗粒。这可能是因为视频中细颗粒仅占据几个像素大小，.......

讨论

为了验证实验装置整体功能的可靠性，我们采用了与其他已建立的实验装置相似的材料组合进行测试（Antonyuk 等⁵ 以及 Wong 等¹³）。由于获得了非常相似的结果，表明该通用实验流程似乎是可行的。然而，实验操作和数据分析仍需谨慎，且有必要进一步改进。

实验装置的主要局限性在于视频的质量。一方面，由于粒子并未完全处于相机的视野范围内，图像可能会模糊。此处，粒子在释放过程中由于粒子腔室的不稳定性，导致撞击并非完全对心。另一方面，分辨率会影响速度测定的准确性，因为像素数量限制了灰度级的细分程度。因此，有必要测试不同的帧率，因为帧率越高，分辨率越低。为了避免在700 µm粒子实验中出现的像素与实际距离换算的校准问题，应使用具有合适且已知尺寸的参考物体，在与实验完全相同的相机设置下进行标准化校准拍摄。推荐的参考物体可为放置在粒子撞击位置的刻度尺。该物体在较大粒子的实验中也更为适用，因为较大的参考距离可减小校准误差。

为了在释放过程中尽量减少粒子腔室的不稳定.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高速摄像机 Olympus i-SPEED 3	Olympus		用于捕捉颗粒撞击过程的高速摄像机
屏幕 Olympus i-SPEED CDU	Olympus		与高速摄像机配合使用的显示屏
光源 Olympus ILP-2	Olympus		以高帧率拍摄视频所需的光源
真空泵 Alcatel Pascale 2005 D	Alcatel		实验过程中产生真空所用的真空泵
真空计 Alcatel CFA 212	Alcatel		用于测量真空度的真空计
i-SPEED 软件套件（控制版本）	Olympus		用于分析视频的软件
玻璃微珠	Sigmund Lindner GmbH		SiLibeads 型号 P (0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680, 4.000 mm) SiLibeads 型号 S (0.1–0.2, 0.2–0.3, 0.3–0.4 mm) http://www.sigmund-lindner.com（有关玻璃特性的更多信息，请参见供应商网站）
护目镜