פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק

Summary

מקדם שבת הוא פרמטר המתאר את אובדן האנרגיה הקינטית במהלך התנגשות. הנה, התקנת נפילה חופשית בתנאי ואקום מפותח כדי להיות מסוגל לקבוע את מקדם פרמטר שבת עבור חלקיקים בטווח מיקרומטר עם מהירויות מרשימות.

Abstract

שיטת האלמנט הדיסקרטית משמשת הסימולציה של מערכות חלקיקים לתאר ולנתח אותם, כדי לחזות ולאחר מכן לייעל את התנהגותם לשלבים יחידים של תהליך או אפילו תהליך כולו. הסימולציה עם התרחשות קשר חלקיק-חלקיק וחלקיק-קיר, הערך של מקדם התקומה נדרש. זה יכול להיקבע באופן ניסיוני. מקדם שבת תלוי במספר פרמטרים כמו מהירות ההשפעה. במיוחד עבור חלקיקים זעירים מהירות ההשפעה תלוי בלחץ אוויר בלחץ אטמוספרי במהירויות גבוהות השפעה לא ניתן להגיע. לשם כך, התקנה ניסיונית חדשה לבדיקות נפילה חופשית בתנאי ואקום מפותחת. מקדם שבת נקבע עם מהירות השפעת הריבאונד אשר מזוהות על ידי מצלמה במהירות גבוהה. כדי לא לעכב את הנוף, ואקום החדר עשוי מזכוכית. כמו כן מנגנון שחרור חדש לרדת חלקיק אחד בודד תחת ואקוםתנאי בנוי. עקב כך, כל המאפיינים של החלקיקים ניתן לאפיין מראש.

Introduction

אבקות גרגירים נמצאים בכל מקום סביבנו. חיים בלעדיהם אי אפשר בחברות מודרניות. הם מופיעים מזון ומשקאות דגנים או אפילו קמח, סוכר, קפה וקקאו. הם נדרשים עבור אובייקטים בשימוש יומיומי כמו הטונר במדפסת לייזר. גם תעשיית הפלסטיק אי-אפשר לדמיין בלעדיהם, כי פלסטיק מועבר בצורה פרטנית לפני שהוא נמס נתון צורה חדשה. לאחר אניס ואח '. ¹ לפחות 40% מהערך המוסף למדד המחירים לצרכן של ארצות הברית של אמריקה על ידי התעשייה הכימית (חקלאות, מזון, תרופות, מינרלים, תחמושת) מחוברת לטכנולוגיה החלקיקים. Nedderman ² אף הצהיר כי כ -50% (משקל) של מוצרי מינימום של 75% מחומרי הגלם הנם מוצקים פרטניים בתעשייה הכימית. כמו כן הצהיר כי יש נוצרים בעיות רבות הנוגעות אחסון והובלה של חומרים גרעיניים. אחת מהן היא כי במהלך ההובלה handling רבים התנגשויות להתקיים. כדי לנתח, לתאר ולחזות את ההתנהגות של מערכת חלקיקים, שיטת אלמנטים בדידה (DEM) סימולציות יכולות להתבצע. בשביל ידע סימולציות אלה של התנהגות ההתנגשות של מערכת החלקיקים הכרחי. הפרמטר המתאר התנהגות זו בהדמיות DEM הוא מקדם תקומה (COR) כי יש לקבוע בניסויים.

התפאורה היא מספר המאפיינת את אובדן האנרגיה הקינטית במהלך הפגיעה כפי שתואר על ידי סייפריד et al. ^3. הם הסבירו כי זו נגרמת על ידי דפורמציות פלסטיק, התפשטות גלים ותופעות viscoelastic. גם תורנטון נינג ⁴ ציינו כי כוחות עלולים להיות נצרכים על ידי עבודה עקב ממשק הידבקות. התפאורה תלוי מהיר השפעה, התנהגות חומר, גודל חלקיקים, צורה, חספוס, תכולת לחות, תכונות הידבקות וטמפרטורה כאמורה Antonyuk et al. ^5. במשך completelהשפעת y אלסטי כל האנרגיה הנספגת מוחזר לאחר ההתנגשות, כך המהירות היחסית בין שותפי קשר שווה לפני ואחרי ההתנגשות. זה מוביל COR של e = 1. במהלך השפעת פלסטיק בצורה מושלמת את כל האנרגיה הקינטית הראשונית נספגת שותפי הקשר נדבקים זה לזה מה שמוביל COR של e = 0. כמו כן, Güttler et al. ⁶ הסביר כי ישנם שני סוגים של התנגשויות. מצד אחד, יש את ההתנגשות בין שני תחומים אשר ידועים גם בשם איש קשר החלקיק-חלקיק. מצד השני, יש את ההתנגשות בין כדור וצלחת כי נקראה גם קשר חלקיק-קיר. עם נתונים עבור COR ומאפיינים חומר אחר כמו מקדם החיכוך, צפיפות, מודולוס יחס גזירה פואסון סימולציות DEM ניתן לבצע כדי לקבוע את מהירויות שלאחר collisional אוריינטציות של חלקיקים כפי שהוסבר על ידי Bharadwaj et al. ^7. כפי shown ב Antonyuk et al. ^5, COR ניתן לחשב עם יחס של מהירות ריבאונד להשפיע מהירות.

לכן התקנה ניסיונית עבור בדיקות נפילה חופשית לבחון את קשר חלקיק-קיר של חלקיקים בקוטר של 0.1 מ"מ עד 4 מ"מ נבנתה. היתרון של ניסויי נפילה חופשית לעומת ניסויים מואצים כמו פו et al. ⁸ ו סומפרלד הובר ⁹ הוא כי סיבוב עלול להתבטל. לפיכך, העברה בין האנרגיה הקינטית הסיבובית ו translational המשפיע על COR ניתן להימנע מכך. חלקיקים אספריים צריכים להיות מסומנים כמו פרסטר et al. ¹⁰ או לורנץ et al. ¹¹ לקחת סיבוב בחשבון. ככל COR הוא תלוי מהיר ההשפעה, מהירויות ההשפעה בניסויים צריכים להתאים לאלה בתהליכי ההובלה וטיפול האמיתיים. בניסויי נפילות בלחץ אטמוספרי, מהירות ההשפעה מוגבלתעל ידי כוח הגרר, בעל השפעה הגוברת על גודל חלקיקים יורד. כדי להתגבר על חסרון זה, הגדרת הניסוי עובדת בתנאי ואקום. אתגר שני הוא לרדת רק חלקיק אחד בודד ומאז אפשר לאפיין את כל המאפיינים המשפיעים על COR מראש עבור חספוס פני שטח למשל הידבקות. עם הידע הזה, פקידת ההתקשרות ניתן לקבוע על פי המאפיינים של החלקיקים. לשם כך, מנגנון שחרור חדש פותח. בעיה נוספת היא הכוחות הדבקים של אבקות בקוטר נח 400 מיקרומטר. לכן, בסביבת טמפרטורה יבשה הסביבה יש צורך להתגבר על הידבקות.

הגדרת הניסוי מורכבת מכמה חלקים. נוף חיצוני של הגדרת הניסוי הקיים מוצג באיור 1. ראשית, ישנו ואקום החדר כי הוא עשוי זכוכית. הוא מורכב של חלק תחתון (צילינדר), כיסוי עליון, טבעת חותם שרוול לחיבורחלקים. החלק התחתון יש שני פתחים עבור חיבור עם משאבת ואקום ואת מד ואקום. את המכסה העליון יש ארבעה פתחים. שניים מהם נחוצים מקלות של מנגנון שחרור כמתואר להלן וכן שני, שניתן להשתמש בהם עבור שיפורים נוספים של הניסוי. כל הפתחים הללו ניתן לסגור עם טבעות חותמות פקקי הברגה כשעובד בתנאי ואקום.

יתר על כן, מנגנון שחרור חדש פותח מאז שימוש זרבובית ואקום כמו בניסויים רבים אחרים שתועדו בספרות (למשל פרסטר ואחות '. ^10, לורנץ et al. ^11, פו et al. ¹² או וונג ואח'. ¹³⁾ לא אפשרי בסביבת ואקום. המנגנון מתממש על ידי מדור גלילי עם חור קידוח חרוטים, המוחזק על ידי צלחת. זה קשור למקל שמתאים אחת ההטבעות החותמות של המכסה העליון של תא הוואקום ומבטיח התקנון של variabגובה le ראשוני עבור ניסויי הנפילה חופשית. סולם מצויר על המקל למדידת הגובה. סגירת תא החלקיקים מיושמת על ידי טיפ חרוטים של פיפטה שמחוברת שוב למקל. מנגנון המהדורה החדש ניתן לראות באיור 2 ועובד כפי שמתואר כאן: במצב ההתחלתי קצה פיפטה נדחף כלפי מטה, כך ההיקף של הקצה נוגע בקצה לקדוח חור של התא. תא סגור עם קצה פיפטה כך אין מקום חלקיק לעזוב תוך תא הבידוד דרך החור. כדי לשחרר את החלקיקים, המקל הוא משך כלפי מעלה יחד לאט מאוד עם הקצה המחובר אליו. ככל בקוטר של הקצה הולך ומצטמצם פער בין היקפו ואת הקצה לקדוח החור מתעורר שדרכו החלקיק יכול לעזוב את החדר. למרות שניתן היה לצפות סיבוב של החלקיק עם מנגנון שחרור החדש שפותח כמו החלקיק יכול 'רול "מתוך צ'אםבער, התנהגות שונה מופיעה הניסויים. איור 3 מראה את ההשפעה של חלקיק aspherical מ 50 פריימים לפני 50 פריימים אחרי ההשפעה בצעדים של 25 מסגרות. מן הצורה של החלקיקים לא סיבוב גלוי לפני השפעת (1-3) ואילו לאחר מכן זה ברור ספינים (4-5). לכן שחרורו הלא הסיבוב טען מתקיים עם מנגנון שחרור זה.

מרכיב נוסף של הגדרת הניסוי הוא baseplate. למעשה ישנם שלושה סוגים שונים של baseplates מורכב מחומרים שונים. אחת עשוי נירוסטה, שנייה של אלומיניום שליש פוליוויניל כלוריד (PVC). baseplates אלה מייצגים חומרים המשמשים לעתים קרובות בהנדסת תהליך למשל בכורים וצינורות.

כדי לקבוע את מהירויות השפעת ריבאונד, מצלמה במהירות גבוהה עם 10,000 fps ברזולוציה של 528 x 396 פיקסלים משמשת. תצורה זו נבחרה תמיד ישתמונה אחת ליד ההשפעה וגם הרזולוציה היא עדיין משביעה רצון. המצלמה מחוברת אל מסך שמציג סרטונים המיידיים כאשר נקלטים. זה הכרחי, כי המצלמה במהירות הגבוהה יכולה רק לחסוך כמות מוגבלת של תמונות ומחליפה את תחילת הווידאו כאשר סכום זה הוא חריג. יתר על כן, מקור אור חזק עבור התאורה של שדה הראייה של המצלמה במהירות הגבוהה נדרש. לקבלת אחידות תאורה גיליון נייר שרטוט טכני מודבק על הישבן של תא ואקום שמתפשט האור.

לבסוף, משאבת שבשבת סיבובית שני שלבים משמשת להקי ואקום של 0.1 mbar וכן אמצעי מד ואקום הוואקום כדי להבטיח תנאים סביבתיים קבועים.

עבור חרוזי זכוכית העבודה המוצגת כאן בקטרים ​​חלקיקים שונים (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 ו 4.000 מ"מ) משמשים. החרוזים עשויים סיד סודההזכוכית הם כדורית עם משטח די חלק.

Protocol

1. ניסויים עם חלקיקים גסים יותר או שווה ל 700 מיקרומטר

1. הכנת ההתקנה הניסיונית
   1. הסר את השרוול והרם את המכסה העליון של תא הוואקום. מניחים את baseplate המורכב של חומר הקיר הרצוי בתא ואקום. סובבו את החלק התחתון של לצדדים בתא ואקום להחליק בצלחת בקפידה על ידי ידיים.
   2. מקום בדיוק אחד החלקיקים להיבדק עם פינצטה במרכז של baseplate. לאחר מכן להתאים את הגובה של המצלמה עם חצובה בצורה כזו כי baseplate הוא ברבעון הנמוך ביותר של שדה הראייה ולהתמקד החלקיקים.
   3. הסר את החלקיקים באמצעות פינצטה.
2. נוהל ניסיוני
   1. התאם את הגובה של תא החלקיקים בצורה כזו כי מהירות ההשפעה הרצויה של החלקיק הוא הגיעה. השתמש בקנה המידה על המקל מצורף צלחת ההחזקה כאינדיקטור של הגובה. סגור את תא חלקיק בעלקצה פיפטה ידי דחיפה אותו כך ההיקף של פיפטה נוגע בקצה לקדוח חור של התא. פתח את השרוול והרם את המכסה העליון של תא הוואקום.
   2. שים כדור אחד בודד בתא החלקיקים עם פינצטה. התחום יכול להיות מוצק או נוזל מלא (כמו Louge et al. ^14), תלוי איזה סוג של חלקיקים יהיה מנותח. עם זאת, בעבודה זו חלקיקים מוצקים רק נבחנים. מניחים את המכסה העליון על החלק התחתון של תא ואקום (צילינדר) ולחבר את המכסה העליון והחלק התחתון של תא ואקום עם השרוול.
   3. לפנות את החדר עם משאבת הוואקום עד לרמה של 0.1 mbar (או כל ערך אחר רצוי) הוא הגיע. מדדו את הלחץ עם מד ואקום. סגור את השסתום בצד של תא הוואקום ומכבה את משאבת הוואקום. תלבש משקפי בטיחות כאשר עובדים בתנאי ואקום.
   4. החל מסגרת בשיעור של 10,000 fps ולהתאים את הגדרות המצלמה (מניחיםיון / זום) להשגת פתרון של 528 x 396 פיקסלים. להתחלת ההקלטה של ​​המצלמה במהירות גבוהה ולפתוח את החור של תא החלקיקים לשחרר את החלקיקים. במקביל למשוך ולהפוך את המקל המצורף קצה פיפטה כדי למנוע בעיות מקל החלקה בשל חיכוך גבוה בין מקל טבעת חותם.
   5. עצור את ההקלטה של ​​המצלמה ישירות אחרי האימפקט כי רק כמות מוגבלת של תמונות ניתן לשמור הראשונים מוחלפים כאשר מגבלה זו היא חריגה. חותך את הסרט סביב המיידי של ההשפעה ברמת המסך ולשמור אותו בכרטיס הזיכרון.
   6. חזור על הניסוי עשר פעמים כדי להשיג תוצאות מובהקות סטטיסטית. התוצאות הן מובהקות סטטיסטי אם אחרי עשר חזרות, הערך הממוצע אינו משנה יותר (זה יכול להיות שונה עבור חומרים אחרים תלוי ההומוגניות של המדגם או צורות חלקיק אחרות).
3. נוהל הערכה
   1. כייל את התוכנה עם ידעגודל n של חלקיק או אחר אובייקט באמצעות מסגרת אחת של הווידאו שנעשה בשלב 1.2.4 להשיג המרה בין פיקסלים ומרחקים. השתמש הקוטר האופקי כפי שהוא לא מטושטש עקב התנועה של החלקיק.
      1. לספור את מספר הפיקסלים של הקוטר האופקי ולאחר מכן לחלק את המרחק הידוע על ידי מספר הפיקסלים כדי לקבל את מקדם המרה 'המרחק לפיקסל'. תמונה של תהליך הכיול מוצגת באיור 4.
   2. גדר נקודת התייחסות של תנועה על גבי בתחום עשר מסגרות לפני ומסגרת אחת לפני ההשפעה לחשב את מהירות ההשפעה. איור 5 מציגים את שתי נקודות הציון של תנועה. עם מקדם המרה משלב 1.3.1, להשתמש את מספר הפיקסלים בין שתי נקודות כדי להשיג את המרחק. חלק את המרחק עד העבר (המכפלה של מספר מסגרות צעד זמן) כדי לקבל את מהירות ההשפעה.
   3. גדר נקודת התייחסות שלתנועה על החלק העליון של מסגרת כדור אחד אחרי ועשרה הפריימים אחרי ההשפעה לחשב את מהירות הריבאונד. קבע את מהירות ההתאוששות אנלוגית לשלב 1.3.2.
   4. חשב את COR כמו היחס בין מהירות ריבאונד למהירות השפעה.
   5. חזור על שלבי 1.3.1-1.3.4 להערכה כל סרטוני מבחן ירידה נרשמו.

2. ניסויים עם אבקות פיינר או שווה ל 400 מיקרומטר

1. הכנת ההתקנה הניסיונית
   1. הסר את השרוול והרם את המכסה העליון של תא הוואקום. מניחים את baseplate המורכב של חומר הקיר הרצוי בתא ואקום. סובבו את החלק התחתון של לצדדים בתא ואקום להחליק בצלחת בקפידה על ידי ידיים.
   2. מניחים חפץ לביטוי הולם כגון חלקיק עם גודל ידוע במרכז baseplate עם פינצטה. לאחר מכן להתאים את הגובה של המצלמה עם חצובה בצורה כזו כי baseplate הוא ברבעון הנמוך ביותר שלשדה הראייה ולהתמקד אובייקט ההתייחסות.
   3. להקליט סרטון וידאו קצר של אובייקט ההתייחסות כאשר הוא שוכב על baseplate עם אותן הגדרות בדיוק כמו בניסויים הבאים.
   4. הסר את אובייקט התייחסות באמצעות פינצטה.
2. נוהל ניסיוני
   1. התאם את הגובה של תא החלקיקים בצורה כזו כי מהירות ההשפעה הרצויה של החלקיק הוא הגיעה. השתמש בקנה המידה על המקל מצורף צלחת ההחזקה כאינדיקטור של הגובה. סגור את תא החלקיק בעל קצה פיפטה ידי דחיפה אותו כך ההיקף של פיפטה נוגע בקצה לקדוח חור של התא. פתח את השרוול והרם את המכסה העליון של תא הוואקום.
   2. שים 50 עד 100 כדורים בתא החלקיקים. כדי להנחות את תחומי החדרת החלקיקים, להפקיד אותם קודם על דף נייר מקופל. השתמש בנייר המקופל כמו חריץ כדי להחליק את חלקיקי ההחדרה. מניחים את המכסה העליון על tהוא החלק התחתון של תא ואקום (צילינדר) ולחבר את המכסה העליון והחלק התחתון של תא ואקום עם השרוול.
   3. לפנות את החדר עם משאבת הוואקום עד לרמה של 0.1 mbar (או כל ערך אחר רצוי) הוא הגיע. מדדו את הלחץ עם מד ואקום. סגור את השסתום בצד של תא הוואקום ומכבה את משאבת הוואקום. תלבש משקפי בטיחות כאשר עובדים בתנאי ואקום.
   4. להתחלת ההקלטה של ​​המצלמה במהירות גבוהה עם 10,000 fps ברזולוציה של 528 x 396 פיקסלים ולפתוח את החור של תא החלקיקים לשחרר חלקיקים. במקביל למשוך ולהפוך את המקל המצורף קצה פיפטה כדי למנוע בעיות מקל החלקה בשל החיכוך הגבוה בין מקל טבעת חותם. משוך לאט מאוד כדי למנוע את זה כל החלקיקים לרדת בעת ובעונה אחת.
   5. עצור את ההקלטה של ​​המצלמה 5 עד 6 שניות לאחר השפעת החלקיקים הראשונים בגלל כמות מוגבלת בלבד של תמונות ניתן לשמור ואת האשוחאלה st מוחלפים כאשר מגבלה זו היא חריגה. חותך את הסרט על המסך בצורה כזו שלפחות 10 משפיע ממוקד בבירור של חלקיקים גלויים ולשמור אותו בכרטיס הזיכרון.
3. נוהל הערכה
   1. כייל את התוכנה עם הגודל הידוע של אובייקט הפנייה מהסרטון של צעד 2.1.3 להשיג המרה בין פיקסלים ומרחקים. ספירת פיקסלים של גודל אובייקט הפנייה ולאחר מכן לחלק את המרחק הידוע על ידי מספר הפיקסלים כדי לקבל את מקדם המרה 'המרחק לפיקסל'.
   2. גדר נקודת התייחסות של תנועה על גבי בתחום הממוקד בבירור הראשון בסרטון עשר מסגרות לפני ומסגרת אחת לפני ההשפעה לחשב את מהירות ההשפעה. חשב את מהירות ההשפעה אנלוגי לשלב 1.3.2 יחד עם מקדם המרה משלב 2.3.1.
   3. גדר נקודת התייחסות של תנועה על גבי המסגרת לאחר אחד בתחום הראשונה התמקדה בבירור ועשר מסגרות מובילות לירכיםאה ההשפעה לחשב את מהירות הריבאונד. חשב את מהירות ההתאוששות אנלוגית לשלב 2.3.2.
   4. חשב את COR כמו היחס בין מהירות ריבאונד למהירות השפעה.
   5. חזור על שלבי 2.3.2-2.3.3 להערכת ההשפעות של עוד תשעה כדורים ממוקדים בבירור.

Results

עבור חלקיקי זכוכית ניתוח בקוטר של 100 מיקרומטר ל -4.0 מ"מ נמצאו ממטוס בגובה ההתחלתי של 200 מ"מ על baseplate נירוסטה עם עובי של 20 מ"מ.

איור 6 מציג את הערכים הממוצעים וכן מקסימלית ערכי מינימום עבור COR תלוי בגודל החלקיקים ללחץ ואקום אטמוספרי. הערך הממוצע של COR יימצא דואר כ = 0.9 עבור חלקיקים גדולים או שווים ל 700 מיקרומטר ...

Discussion

כדי לאמת את הפונקציונליות של מערך הניסוי באופן כללי, בדיקות עם שילובי חומרים דומים כמו בהגדרות מבוססות אחרות (Antonyuk et al.⁵ ו-Wong et al.¹³) בוצעו. מכיוון שהתקבלו תוצאות דומות מאוד, נראה שההליך הכללי עובד. עם זאת, יש לנקוט משנה זהירות כלפי ההליך ויש צורך בניתוח ושיפורים נוספים.

המגבלה העיקרית של ההגדרה הניסיונית היא איכות הסרטונים. מצד אחד, התמונות יכולות להיות מטושטשות מכיוון שהחלקיק לא בדיוק נמצא בשדה הראייה של המצלמה. כאן, החלקיק משפיע לא ממוקד לחל...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מצלמה מהירה אולימפוס i-SPEED 3	אולימפוס		מצלמה מהירה ללכידת השפעת החלקיקים
מסך אולימפוס i-SPEED CDU	אולימפוס		מסך לעבודה עם המצלמה המהירה
מקור אור אולימפוס ILP-2	אולימפוס		מקור אור הכרחי לצילום סרטונים בקצבי פריימים גבוהים
משאבת ואקום אלקטל פסקל 2005 D	אלקטל		משאבת ואקום ליצירת הוואקום במהלך הניסויים
מד ואקום אלקטל CFA 212	אלקטל		למדידת רמת הוואקום
i-SPEED Software Suite (גרסת בקרה)	אולימפוס		להערכת הסרטונים
חרוזי זכוכית	זיגמונד לינדנר GmbH		SiLibeads סוג P (0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680, 4.000 מ"מ) SiLibeads סוג S (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4  מ"מ) http://www.sigmund-lindner.com (ראה אתר הספק למידע נוסף על תכונות הזכוכית)
משקפי