Name: 实验装置的研制归还系数在真空条件下测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 49 s
Description: 了解在真空条件下测量颗粒碰撞恢复系数的实验方法。该技术适用于微米级细粉的自由落体测试，无需预先加速颗粒，可为工程行业中颗粒固体的运输、处理和储存问题提供精确数据支持。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者无致谢。

1. 粒径大于或等于 700 µm 的颗粒实验
<ol>
	<li>实验装置的准备
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用镊子移除颗粒。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验步骤
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。同时拉动并旋转连接在移液枪尖端的杆，以避免因杆与密封圈之间摩擦过大而产生的粘滑问题。</li>
		<li>在撞击后立即停止相机录制，因为可保存的图像数量有限，超过该限制后最早的图像将被覆盖。在屏幕上截取撞击瞬间前后的视频片段，并将其保存至存储卡中。</li>
		<li>重复实验十次以获得具有统计学意义的结果。若在十次重复后平均值不再发生变化，则认为结果具有统计学意义（对于其他材料，此数值可能因样品的均匀性或颗粒形状不同而有所差异）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>评估步骤
	<ol>
		<li>使用步骤 1.2.4 所拍摄视频中的某一帧，根据已知尺寸的颗粒或其他物体对软件进行校准，以获得像素与距离之间的换算关系。采用水平直径进行校准，因其不受颗粒运动模糊的影响。
		<ol>
			<li>测量水平直径所占的像素数，然后用已知距离除以像素数，得到“每像素距离”这一换算系数。校准过程示意图见 图4。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在撞击前十个帧和撞击前一个帧时，在球体顶部设定运动参考点，用于计算撞击速度。图5 展示了这两个运动参考点。结合步骤 1.3.1 得到的换算系数，利用两点之间的像素数计算行进距离。将该距离除以经过的时间（帧数与时间步长的乘积），即可得到撞击速度。</li>
		<li>在撞击后一个帧和撞击后十个帧时，在球体顶部设定运动参考点，用于计算反弹速度。反弹速度的计算方法与步骤 1.3.2 类似。</li>
		<li>将反弹速度与撞击速度的比值定义为恢复系数（COR）。</li>
		<li>对所有记录的落球测试视频，重复执行步骤 1.3.1–1.3.4 进行评估。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 粒径小于或等于 400 µm 的粉末实验
<ol>
	<li>实验装置的准备
	<ol>
		<li>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内。将真空室的下部侧向转动，用手小心地将基板滑入真空室中。</li>
		<li>使用镊子将一个具有已知尺寸的合适参考物体（例如微粒）放置在基板中心。随后调整三脚架上相机的高度，使基板位于视野的最低四分之一区域，并对准参考物体进行聚焦。</li>
		<li>使用与后续实验完全相同的设置，录制一段参考物体平放在基板上的短视频。</li>
		<li>使用镊子移除参考物体。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验步骤
	<ol>
		<li>调节粒子室的高度，以达到粒子所需的撞击速度。利用固定板上附带的标尺作为高度参考。通过向下按压移液枪头关闭粒子室，使移液枪的圆周与粒子室钻孔边缘接触。打开套筒并掀开真空室的顶盖。</li>
		<li>将50至100个球形颗粒放入粒子室中。为便于将颗粒导入粒子室，可先将其放置在一张折叠的纸上，然后利用折叠的纸作为导槽，将颗粒滑入室中。将顶盖盖在真空室的下部（圆筒部分），并用套筒将顶盖与真空室下部连接固定。</li>
		<li>使用真空泵对腔体抽真空，直至压力达到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，请佩戴安全护目镜。</li>
		<li>启动高速相机进行录制，设置帧率为10,000 fps，分辨率为528 × 396像素，同时打开粒子室的孔口以释放颗粒。与此同时，缓慢拉动并旋转连接在移液枪头上的杆，以避免因杆与密封圈之间摩擦过大而产生的粘滑问题。拉动时应非常缓慢，以防止所有颗粒同时下落。</li>
		<li>在第一个颗粒撞击后5至6秒停止相机录制，因为相机可保存的图像数量有限，超过该限制后早期图像将被覆盖。在屏幕上剪辑视频，确保至少有10次颗粒清晰对焦的撞击过程可见，并将视频保存至存储卡中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>数据评估步骤
	<ol>
		<li>利用步骤2.1.3中视频里参考物体的已知尺寸对软件进行校准，以获得像素与实际距离之间的换算关系。测量参考物体尺寸所占的像素数，然后用已知的实际距离除以像素数，得到“每像素对应的距离”这一换算系数。</li>
		<li>在视频中第一个清晰对焦的球体顶部设置运动参考点，分别选择撞击前10帧和撞击前1帧的图像，以计算撞击速度。结合步骤2.3.1中获得的换算系数，参照步骤1.3.2的方法计算撞击速度。</li>
		<li>在视频中第一个清晰对焦的球体顶部设置运动参考点，分别选择撞击后1帧和撞击后10帧的图像，以计算回弹速度。参照步骤2.3.2的方法计算回弹速度。</li>
		<li>将回弹速度与撞击速度的比值计算为恢复系数（COR）。</li>
		<li>对另外九个清晰对焦的球体撞击过程，重复步骤2.3.2至2.3.3进行评估。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Ennis, B. J., Green, J., Davies, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+legacy+of+neglect%5BTitle%5D)+AND+%22U.S.+Chem.+Eng.+Prog%22%5BJournal%5D)">The legacy of neglect.</a> U.S. Chem. Eng. Prog. 90 (4), 32-43 (1994).</li>
<li>Nedderman, R. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNedderman%2C+RM+%22Statics+and+Kinematics+of+Granular+Materials%22">Statics and Kinematics of Granular Materials</a>. , Cambridge University Press. Cambridge. (1992).</li>
<li>Seifried, R., Schiehlen, W., Eberhard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+and+experimental+evaluation+of+the+coefficient+of+restitution+for+repeated+impacts%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Impact+Eng%22%5BJournal%5D)">Numerical and experimental evaluation of the coefficient of restitution for repeated impacts.</a> Int. J. Impact Eng. 32, 508-524 (2005).</li>
<li>Thornton, C., Ning, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+theoretical+model+for+the+stick%2Fbounce+behaviour+of+adhesive%2C+elastic-plastic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technol%22%5BJournal%5D)">A theoretical model for the stick/bounce behaviour of adhesive, elastic-plastic spheres.</a> Powder Technol. 99, 154-162 (1998).</li>
<li>Antonyuk, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Energy+absorption+during+compression+and+impact+of+dry+elastic-plastic+spherical+granules%5BTitle%5D)+AND+%22Granul.+Matter%22%5BJournal%5D)">Energy absorption during compression and impact of dry elastic-plastic spherical granules.</a> Granul. Matter. 12, 15-47 (2010).</li>
<li>Güttler, C., Heißelmann, D., Blum, J., Krijt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Normal+Collisions+of+Spheres%3A+A+Literature+Survey+on+Available+Experiments%5BTitle%5D)+AND+%22arXIV%22%5BJournal%5D)">Normal Collisions of Spheres: A Literature Survey on Available Experiments.</a> arXIV. , (2012).</li>
<li>Bharadwaj, R., Smith, C., Hancock, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+coefficient+of+restitution+of+some+pharmaceutical+tablets%2Fcompacts%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Pharm%22%5BJournal%5D)">The coefficient of restitution of some pharmaceutical tablets/compacts.</a> Int. J. Pharm. 402, 50-56 (2010).</li>
<li>Fu, J., Adams, M. J., Reynolds, G. K., Salman, A. D., Hounslowa, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+deformation+and+rebound+of+wet+granules%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technol%22%5BJournal%5D)">Impact deformation and rebound of wet granules.</a> Powder Technol. 140, 248-257 (2004).</li>
<li>Sommerfeld, M., Huber, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+analysis+and+modelling+of+particle-wall+collisions%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Multiphas.+Flow%22%5BJournal%5D)">Experimental analysis and modelling of particle-wall collisions.</a> Int. J. Multiphas. Flow. 25, 1457-1489 (1999).</li>
<li>Foerster, S. F., Louge, M. Y., Chang, H., Allia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+the+collision+properties+of+small+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Measurements of the collision properties of small spheres.</a> Phys. Fluids. 6 (3), 1108-1115 (1994).</li>
<li>Lorenz, A., Tuozzolo, C., Louge, M. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+Impact+Properties+of+Small%2C+Nearly+Spherical+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Mech%22%5BJournal%5D)">Measurements of Impact Properties of Small, Nearly Spherical Particles.</a> Exp. Mech. 37 (3), 292-298 (1997).</li>
<li>Fu, J., Adams, M. J., Reynolds, G. K., Salman, A. D., Hounslowa, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+deformation+and+rebound+of+wet+granules%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technol%22%5BJournal%5D)">Impact deformation and rebound of wet granules.</a> Powder Technol. 140, 248-257 (2004).</li>
<li>Wong, C. X., Daniel, M. C., Rongong, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Energy+dissipation+prediction+of+particle+dampers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sound+Vib%22%5BJournal%5D)">Energy dissipation prediction of particle dampers.</a> J. Sound Vib. 319, 91-118 (2009).</li>
<li>Louge, M. Y., Tuozzolo, C., Lorenz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+binary+impacts+of+small+liquid-filled+shells%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">On binary impacts of small liquid-filled shells.</a> Phys. Fluids. 9, 3670-3677 (1997).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。 等5对于完全弹性碰撞，碰撞后所有吸收的能量都会恢复，因此接触体之间的相对速度在碰撞前后相等。这导致恢复系数（COR）为 e 1. 在完全塑性碰撞过程中，所有初始动能均被吸收，接触的物体粘连在一起，导致恢复系数（COR）为 e = 0。此外，Güttler 等6 解释说，碰撞分为两种类型。一方面，是两个球体之间的碰撞，也称为颗粒-颗粒接触；另一方面，是球体与平板之间的碰撞，也称为颗粒-壁面接触。通过恢复系数（COR）及其他材料属性数据，如摩擦系数、密度、泊松比和剪切模量，可进行离散元法（DEM）模拟，以确定颗粒碰撞后的速度和取向，正如Bharadwaj所解释的那样。 等7如Antonyuk所示 等5，可通过回弹速度与冲击速度的比值计算COR。
因此，构建了一种用于自由落体实验的装置，以研究直径在0.1 mm至4 mm范围内的颗粒与壁面接触的情况。与Fu et al.8以及Sommerfeld和Huber9所采用的加速实验相比，自由落体实验的优势在于可以消除颗粒旋转的影响，从而避免转动动能与平动动能之间的相互转换对恢复系数（COR）造成干扰。对于非球形颗粒，需如Foerster et al.10或Lorenz et al.11所述进行标记，以考虑其旋转效应。由于恢复系数依赖于碰撞速度，实验中的碰撞速度必须与实际输送和操作过程中的速度相匹配。在常压下的自由落体实验中，颗粒的碰撞速度受到空气阻力的限制，且随着颗粒尺寸减小，阻力的影响愈加显著。为克服这一局限，该实验装置在真空条件下运行。另一个挑战是仅释放单个颗粒，以便在实验前准确表征所有影响恢复系数的因素，例如表面粗糙度和粘附性。基于这些参数，可依据颗粒的具体特性确定其恢复系数。为此，开发了一种新型的颗粒释放机构。此外，对于粒径小于400 µm的粉末，还存在较强的粘附力问题，因此需要在干燥且环境温度可控的条件下进行实验，以消除粘附效应。
实验装置由多个部分组成。图1展示了现有实验装置的外部视图。首先是一个由玻璃制成的真空腔室，它包括一个下部（圆柱体）、顶部盖板、密封圈以及用于连接各部件的套筒。下部有两个开口，用于连接真空泵和真空计。顶部盖板有四个开口，其中两个用于下方所述释放机构的杆件穿过，另外两个可用于实验的进一步改进。在真空条件下工作时，所有这些开口均可使用密封圈和螺纹盖进行封闭。
此外，由于在真空环境中无法使用文献中许多其他实验所采用的真空喷嘴（例如 Foerster et al.10、Lorenz et al.11、Fu et al.12 或 Wong et al.13），因此开发了一种新的释放机制。该机制由一个带有圆锥形钻孔的圆柱形腔室构成，腔室由一块平板固定，并连接一根可插入真空腔顶部盖板密封圈之一的杆，从而确保自由落体实验初始高度的可调性。杆上标有刻度，用于测量高度。粒子腔室的封闭通过移液管的圆锥形尖端实现，该尖端同样连接一根杆。新的释放机制如图2所示，其工作原理如下：初始状态下，移液管尖端被向下推压，使其周缘与腔室钻孔边缘接触，从而封闭腔室，使粒子无法从孔中逸出。释放粒子时，将杆连同其连接的尖端极其缓慢地向上提起。随着尖端直径逐渐变小，其周缘与钻孔边缘之间形成间隙，粒子即可由此离开腔室。尽管人们可能预期使用这种新开发的释放机制会导致粒子发生旋转（因为粒子可能“滚出”腔室），但实验中观察到的行为有所不同。图3展示了非球形粒子在撞击前后各50帧范围内，以每25帧为间隔的撞击过程。从粒子的形状可见，撞击前（1-3）未观察到明显旋转，而撞击后（4-5）粒子明显发生自旋。因此，该释放机制实现了所宣称的无旋转释放。
实验装置的另一个组成部分是基板。实际上，基板有三种不同类型，由不同的材料制成：一种由不锈钢制成，一种由铝制成，第三种由聚氯乙烯（PVC）制成。这些基板代表了化工过程中常用的材料，例如在反应器和管道中的应用。
为了测定撞击速度和回弹速度，使用一台每秒10,000帧、分辨率为528 × 396像素的高速摄像机。选择该配置是因为总能获得接近撞击时刻的图像，且分辨率仍令人满意。摄像机连接至一个屏幕，可在录制视频的同时实时显示画面。这是必要的，因为高速摄像机只能保存有限数量的图像，当超出该数量时，会自动覆盖视频的起始部分。此外，还需要一个强光源来照亮高速摄像机的视野。为了实现照明的均匀性，将一张工程绘图纸粘贴在真空腔体的背面，以散射光线。
最后，使用二级旋片式真空泵建立0.1 mbar的真空度，并通过真空计测量真空度，以确保环境条件恒定。
本研究中使用的玻璃珠具有不同的粒径（0.1-0.2、0.2-0.3、0.3-0.4、0.700、1.588、2.381、2.780、3.680 和 4.000 mm）。这些玻璃珠由钠钙玻璃制成，呈球形，表面相对光滑。

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

开发用于真空条件下测量恢复系数的实验装置

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

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。

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，...

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。

离散元法用于颗粒系统的模拟，以描述和分析这些系统，预测其行为，并在此基础上进行优化……

本实验装置的总体目标是在真空条件下测量碰撞颗粒的恢复系数。该方法可有助于解决工程领域中的实际问题，因为恢复系数普遍存在于工程行业中的颗粒状固体运输、处理和储存等各类工程操作中。该方法的主要优势在于，无需在颗粒进入腔室时对其进行加速，即可在真空条件下应用于细粉的测量。我实验室的研究生 Sven Drucker 将演示该操作流程。他正在一个名为 Pardem 的项目框架下工作。在处理任何尺寸的颗粒时，首先取下真空室上的套筒，并打开顶盖。然后，将带有目标壁面材料的基板选入腔室中。接着，将真空腔室的下部侧向转动，并小心地将基板滑入指定位置。随后，使用镊子将一个已知尺寸的颗粒精确放置在基板中心。然后，调整安装在三脚架上的高速摄像机的位置，使底板位于视野的最低四分之一处，并将焦点对准颗粒。将高速摄像机设置为以每秒10,000帧的速度拍摄，分辨率为528 × 396像素。随后，拍摄一段颗粒的短视频以供参考。之后别忘了移除颗粒。当使用700微米或更粗的颗粒时，首先调整颗粒室的高度，以达到所需的冲击速度。使用固定板上附带的刻度尺测量高度。然后，用移液枪的枪头封闭颗粒室。现在，打开真空室的顶盖，用镊子将一个单个的球体放入颗粒室内。本示例展示的是一个实心球体。然而，也可以测试充满液体的球体。将真空室的上盖放置在真空室下部，并用套筒连接上盖与真空室下部。现在，在产生真空之前戴上安全护目镜。使用泵将腔室抽真空，直至达到所需压力。本演示中的目标压力为 0.1 毫巴。然后，关闭腔室侧面的阀门，并关闭泵。此时，开始视频录制。在录制过程中，打开颗粒室的孔以释放颗粒，同时拉动并旋转连接在移液管尖端的棒。这将防止由于棒与密封环之间摩擦力过高而产生的粘滑问题。冲击发生后，立即停止录制。仅可保存有限数量的帧，一旦超出限制，最早的帧将被覆盖。在屏幕上截取包含冲击瞬间的视频片段，并将其保存至存储卡中。为获得准确的平均值，预计需重复实验约10次。处理更细小的颗粒时，基本采用相同的步骤，但需进行少量调整。将50至100个微球置于一张折叠的纸片上，然后将颗粒从纸片转移至样品室中。在实验开始时拉动小棒时，应非常缓慢地拉动，以防止所有颗粒同时掉落。剪辑视频时，应确保至少有10个清晰对焦的撞击过程可见。在分析数据之前，必须首先对软件进行校准。加载在设置过程中获得的已知尺寸颗粒的图像帧。然后，计算水平直径所占的像素数量，并用已知距离除以像素数量，得到每个像素对应的距离转换系数。选择水平方向更便于测量，因为颗粒与白色背景之间的对比度较高。为计算撞击速度，需在撞击点前10帧的位置设定第一个运动参考点（位于球体顶端），并在撞击前1帧的位置设定第二个参考点。利用两点之间的像素数量及转换系数，计算球体移动的距离。然后将该距离除以9帧所对应的时间，即可得到撞击速度。为计算回弹速度，请在撞击后一帧和撞击后十帧时，使用球体顶部的参考点。最后，将恢复系数（COR）计算为回弹速度与撞击速度的比值。重复上述所有步骤，以评估所有记录的落锤试验视频。将直径为100微米至4毫米的玻璃颗粒从200毫米的初始高度，自由下落到厚度为20毫米的不锈钢基板上。对于直径700微米或更大的颗粒，恢复系数（COR）的平均值约为0.9。该结果与空气压力无关。对于直径小于400微米的颗粒，在真空条件下，恢复系数几乎保持恒定，数值为0.9。在大气压力下，恢复系数随颗粒直径的增大而减小。撞击速度的结果取决于颗粒的尺寸和大气压力。在大气压下，细粉末的下落速度要慢得多，而在真空条件下，其撞击速度仅略有降低。数据显示，在700微米处存在一些异常离群值，可能是由于校准错误所致。观看本视频后，您应能够充分理解如何在真空条件下的自由落体实验中测量恢复系数。如果操作得当，熟练掌握此方法后，处理 10 个颗粒可在一个半小时内完成。请务必注意，在真空条件下使用玻璃圆柱形容器存在极大危险性，必须始终采取预防措施。

development-an-experimental-setup-for-measurement-coefficient

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

实验装置的研制归还系数在真空条件下测量

本文演示了在基于表面活性剂的剪切稀化粘弹性流体中测量球形颗粒终端沉降速度的实验步骤。制备了具有广泛流变特性的流体，并在无限流体以及平行壁面间的流体中，测量了多种颗粒尺寸的沉降速度。...

无约束与受限条件下基于表面活性剂的剪切稀化粘弹性流体中球形颗粒沉降速度的实验测量

本文介绍了一种用于高空间分辨率测量湍流中非定常表面压力的实验方案。该方法展示了远程麦克风探头（RMP）的构建过程及其频率相关复传递函数的测定。文中提出了动态响应的解析确定方法，并进行了实验验证。...

使用远程麦克风探针测量非定常表面压力

本文介绍了如何构建一种用于旋转转子规的可靠弹簧运输机构。该装置可牢固固定转子，并在运输过程中使其保持在真空状态。我们还描述了可最大限度降低运输过程中损坏风险的包装方法。测试结果表明，我们的设计能够有效应对运输过程中常见的冲击。...

如何为旋转转子真空计构建真空弹簧运输包装

介绍了一种利用压力升高速率法测量普通钢制真空室氢气放气率的实验方案。...

钢材放气率的测量

本文介绍了一种实验上可实现的模拟方法，用于研究稠密流体中的分子流体动力学过程。该技术利用振动下高恢复系数颗粒堆的粒子图像测速法，能够直接在宏观尺度上观测到强相互作用、高密度气体和液体中已知或预测存在的动力学过程。...

一种用于研究稠密气体和液体中分子流体动力学过程的宏观模拟技术

本方案演示了如何制备煤样并使用可视化恒体积气固耦合试验系统，在不同CO2压力下对煤样进行单轴压缩实验。同时旨在研究CO2吸附引起的煤体物理力学性质的变化。...

一种使用可视化恒体积气固耦合测试系统的含 CO2 煤样单轴压缩实验

该方案旨在研究液滴与空气中超疏水基底之间的相互作用。包括校准测量系统，并测量在具有不同网格分数的超疏水基底上的相互作用力。...

利用光杠杆法测量液滴与超疏水基底间的相互作用力

黏液的黏弹性特性在黏液纤毛清除过程中起着关键作用。然而，传统的黏液流变学技术需要复杂且耗时的操作方法。本研究提供了一种使用台式流变仪进行快速、可靠黏弹性测量的详细实验方案。...

利用台式流变仪快速表征气道黏液的黏弹性

本实验方案描述了一种摩擦测试装置，该装置可对两个接触的生物对偶表面同时施加往复滑动和法向载荷。...

用于研究滑膜关节生物力学、力学生物学及物理调控的摩擦测试-生物反应装置

本方案介绍了一种压缩测试装置的配置方法，该装置能够精确测量微结构在小应变区域内的力学性能，同时提供使用该装置进行压缩测试的系统性方法。所提出的装置可用于分析多种微结构以及聚合物基材料的力学行为。...

小应变下压缩应力-应变响应的测量

了解在真空条件下测量颗粒碰撞恢复系数的实验方法。该技术适用于微米级细粉的自由落体测试，无需预先加速颗粒，可为工程行业中颗粒固体的运输、处理和储存问题提供精确数据支持。

开发用于真空条件下测量恢复系数的实验装置

探索更多视频