Développement d'une installation expérimentale pour la mesure du coefficient de restitution sous vide Conditions

L'objectif général de ce dispositif expérimental est de mesurer le coefficient de restitution de particules en collision dans des conditions de vide. Cette méthode peut contribuer à la résolution de problèmes d'ingénierie, car le coefficient de restitution intervient dans toute opération industrielle telle que le transport, la manipulation et l'entreposage de solides granulaires dans le secteur du génie industriel. Le principal avantage de cette méthode est qu'elle peut être appliquée à des poudres fines dans des conditions de vide, sans accélérer la particule lorsqu'elle pénètre dans l'enceinte.

Sven Drucker, un étudiant diplômant de mon laboratoire, démontrera la procédure. Il travaille dans le cadre d'un projet appelé Pardem. Pour manipuler des particules de n'importe quelle taille, retirez d'abord le manchon recouvrant la chambre à vide et soulevez le couvercle supérieur.

Ensuite, sélectionnez la plaque de base avec le matériau de paroi souhaité et insérez-la dans la chambre. Puis, tournez la partie inférieure de la chambre à vide sur le côté et faites glisser délicatement la plaque de base en place. Ensuite, à l’aide de pinces, placez exactement une particule de taille connue au centre de la plaque de base.

Ensuite, ajustez la position d'une caméra vidéo haute vitesse montée sur un trépied de manière à ce que la plaque de base se trouve dans le quart inférieur du champ visuel, et faites le point sur la particule. Réglez la caméra haute vitesse pour enregistrer 10 000 images par seconde avec une résolution de 528 par 396 pixels. Ensuite, enregistrez une courte vidéo de la particule à des fins de référence.

N'oubliez pas de retirer la particule par la suite. Lorsque vous travaillez avec des particules de 700 microns ou plus grossières, ajustez d'abord la hauteur de la chambre à particules afin d'atteindre la vitesse d'impact souhaitée. Mesurez la hauteur à l'aide de l'échelle fixée sur la plaque de maintien.

Ensuite, fermez la chambre à particules à l’aide de l’embout d’une pipette. Soulevez maintenant le couvercle supérieur de la chambre à vide et placez une seule sphère à l’intérieur de la chambre à particules à l’aide de pinces. Cet exemple montre une sphère pleine.

Cependant, des sphères remplies de liquide peuvent également être testées. Placez le couvercle supérieur sur la partie inférieure de la chambre à vide et reliez le couvercle supérieur et la partie inférieure de la chambre à vide à l’aide du manchon. Ensuite, mettez des lunettes de protection avant de créer le vide.

À l’aide de la pompe, faire le vide dans l’enceinte jusqu’à l’obtention de la pression souhaitée. La pression cible dans cette démonstration est de 0,1 millibar. Ensuite, fermer la vanne située sur le côté de l’enceinte et arrêter la pompe.

À ce stade, commencez l'enregistrement vidéo. Pendant l'enregistrement, ouvrez l'orifice de la chambre à particules pour libérer la particule, tout en tirant et en tournant le bâtonnet fixé à l'extrémité de la pipette. Cela permettra d'éviter les problèmes de collage-décollage dus à la forte friction entre le bâtonnet et l'anneau scellé.

Une fois l'impact survenu, arrêtez immédiatement l'enregistrement. Un nombre limité d'images peut être sauvegardé, et les premières sont écrasées dès que cette limite est dépassée. Recadrez la vidéo autour de l'instant de l'impact à l'écran, puis enregistrez-la sur la carte mémoire.

Prévoir la répétition de l'expérience environ 10 fois pour obtenir une valeur moyenne précise. Lorsqu'on travaille avec des particules plus fines, utiliser essentiellement la même procédure avec quelques modifications. Charger de 50 à 100 sphères sur une feuille de papier pliée et introduire les particules dans la chambre depuis le papier.

Lorsque vous tirez sur le bâton au début de l'expérience, faites-le très lentement afin d'éviter que toutes les particules ne tombent en même temps. Lors du découpage de la vidéo, procédez de manière à ce qu'au moins 10 impacts nettement focalisés soient visibles. Avant d'analyser les données, il est d'abord nécessaire d'étalonner le logiciel.

Chargez une image contenant une particule de taille connue obtenue lors de la configuration. Ensuite, comptez le nombre de pixels du diamètre horizontal et divisez la distance connue par le nombre de pixels pour obtenir le facteur de conversion, soit la distance par pixel. Le diamètre horizontal est plus facile à utiliser en raison du contraste entre la particule et l'arrière-plan blanc.

Pour calculer la vitesse d'impact, définissez un point de référence du mouvement au sommet de la sphère 10 images avant le moment de l'impact et un deuxième point de référence une image avant l'impact. Utilisez le nombre de pixels entre les deux points ainsi que le facteur de conversion pour calculer la distance parcourue. Ensuite, divisez la distance par le temps écoulé correspondant à neuf images afin d'obtenir la vitesse d'impact.

Pour calculer la vitesse de rebond, utilisez des points de référence situés au sommet de la sphère, une image après l'impact et dix images après l'impact. Enfin, calculez le coefficient de restitution (COR) comme étant le rapport entre la vitesse de rebond et la vitesse d'impact. Répétez toutes ces étapes afin d'évaluer l'ensemble des vidéos d'essais de chute enregistrées.

Des particules de verre de diamètres compris entre 100 micromètres et quatre millimètres ont été lâchées d'une hauteur initiale de 200 millimètres sur une plaque de base en acier inoxydable d'une épaisseur de 20 millimètres. La valeur moyenne du coefficient de restitution (COR) était d'environ 0,9 pour les particules de 700 micromètres ou plus. Ce résultat était indépendant de la pression atmosphérique.

Pour des particules de diamètre inférieur à 400 microns, le coefficient de restitution (COR) était presque constant, avec une valeur de 0,9 dans des conditions de vide. Sous pression atmosphérique, le coefficient de restitution diminuait avec le diamètre des particules. Les résultats concernant la vitesse d'impact dépendaient de la taille des particules et de la pression atmosphérique.

Les poudres fines étaient beaucoup plus lentes sous pression atmosphérique, tandis que leur vitesse d'impact diminuait légèrement seulement dans des conditions de vide. Les données ont révélé quelques valeurs aberrantes exceptionnelles à 700 microns, qui pourraient résulter d'un étalonnage incorrect. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment mesurer le coefficient de restitution lors d'expériences de chute libre réalisées en conditions de vide.

Une fois maîtrisée, cette méthode peut être réalisée en une heure et demie pour 10 particules si elle est correctement appliquée. N'oubliez pas que travailler avec un cylindre en verre en conditions de vide est extrêmement dangereux, et que des précautions doivent toujours être prises.