Name: Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 49 s
Description: Poznaj metodę pomiaru współczynnika restytucji cząstek w warunkach próżni. Technika free-fall umożliwia precyzyjne badanie zderzeń mikrocząstek bez ich przyspieszania. Ma zastosowanie w inżynierii materiałów sypkich.

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

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

1. Eksperymenty z cząstkami grubszymi lub równymi 700 μm
<ol>
	<li>Przygotowanie układu eksperymentalnego
	<ol>
		<li>Zdejmij tuleję i podnieś górną pokrywę komory próżniowej. Umieść płytę bazową składającą się z żądanego materiału ścianki w komorze próżniowej. Obróć dolną część komory próżniowej na bok, aby ostrożnie wsunąć płytkę ręcznie.</li>
		<li>Umieść dokładnie jedną z cząstek, które mają być badane, za pomocą pęsety na środku płytki podstawowej. Następnie wyreguluj wysokość aparatu za pomocą statywu w taki sposób, aby płytka bazowa znajdowała się w najniższej ćwiartce pola widzenia i skup się na cząstce.</li>
		<li>Usuń cząstkę za pomocą pęsety.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Procedura eksperymentalna
	<ol>
		<li>Wyreguluj wysokość komory na cząstki w taki sposób, aby osiągnięta została pożądana prędkość uderzenia cząstki. Użyj skali na drążku przymocowanym do płyty mocującej jako wskaźnika wysokości. Zamknij komorę na cząstki końcówką pipety, dociskając ją w dół, tak aby obwód pipety dotykał krawędzi wywierconego otworu w komorze. Otwórz rękaw i podnieś górną pokrywę komory próżniowej.</li>
		<li>Umieść jedną pojedynczą kulę w komorze na cząstki za pomocą pęsety. Kula może być wypełniona ciałem stałym lub cieczą (jak w Louge i wsp.14), w zależności od tego, jakie cząstki mają być analizowane. Jednak w tej pracy badane są tylko cząstki stałe. Umieść górną pokrywę w dolnej części komory próżniowej (cylindra) i połącz górną pokrywę i dolną część komory próżniowej z tuleją.</li>
		<li>Opróżnij komorę za pomocą pompy próżniowej, aż do osiągnięcia poziomu 0.1 mbar (lub dowolnej innej żądanej wartości). Zmierz ciśnienie za pomocą wakuometru. Zamknij zawór z boku komory próżniowej i wyłącz pompę próżniową. Podczas pracy w warunkach próżni należy nosić okulary ochronne.</li>
		<li>Zastosuj częstotliwość odświeżania 10 000 kl./s i dostosuj ustawienia kamery (pozycja/zoom), aby uzyskać rozdzielczość 528 x 396 pikseli. Rozpocznij nagrywanie z szybkiej kamery i otwórz otwór w komorze cząstek, aby uwolnić cząstkę. Jednocześnie pociągnij i obróć patyczek przymocowany do końcówki pipety, aby uniknąć problemów z drganiem cierem spowodowanym wysokim tarciem między patyczkiem a pierścieniem uszczelniającym.</li>
		<li>Zatrzymaj nagrywanie z kamery bezpośrednio po uderzeniu, ponieważ można zapisać tylko ograniczoną liczbę zdjęć, a pierwsze z nich są nadpisywane po przekroczeniu tego limitu. Przytnij film w momencie uderzenia w ekran i zapisz go na karcie pamięci.</li>
		<li>Powtórz eksperyment dziesięć razy, aby uzyskać statystycznie istotne wyniki. Wyniki są istotne statystycznie, jeśli po dziesięciu powtórzeniach średnia wartość już się nie zmienia (może to być różne dla innych materiałów w zależności od jednorodności próbki lub innych kształtów cząstek).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Procedura oceny
	<ol>
		<li>Skalibruj oprogramowanie ze znanym rozmiarem cząstki lub innego obiektu, używając jednej klatki wideo wykonanej w kroku 1.2.4, aby uzyskać konwersję między pikselami i odległościami. Użyj średnicy poziomej, ponieważ nie jest ona rozmyta z powodu ruchu cząstki.
		<ol>
			<li>Policz liczbę pikseli o średnicy poziomej, a następnie podziel znaną odległość przez liczbę pikseli, aby uzyskać współczynnik konwersji "odległość na piksel". Obraz procesu kalibracji pokazano na rysunku 4.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Ustaw punkt odniesienia ruchu na górze kuli dziesięć klatek przed uderzeniem i jedną klatkę przed uderzeniem, aby obliczyć prędkość uderzenia. Rysunek 5 przedstawia dwa punkty odniesienia ruchu. Za pomocą współczynnika konwersji z kroku 1.3.1 użyj liczby pikseli między dwoma punktami, aby uzyskać przebytą odległość. Podziel odległość przez upływ czasu (iloczyn liczby klatek i kroku czasowego), aby uzyskać prędkość uderzenia.</li>
		<li>Ustaw punkt odniesienia ruchu na górze kuli jedną klatkę po uderzeniu i dziesięć klatek po uderzeniu, aby obliczyć prędkość odbicia. Wyznaczyć prędkość odbicia analogicznie do kroku 1.3.2.</li>
		<li>Oblicz COR jako stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia.</li>
		<li>Powtórz kroki 1.3.1-1.3.4 w celu oceny wszystkich nagranych filmów z testu upadku.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Eksperymenty z proszkami drobniejszymi lub równymi 400 μm
<ol>
	<li>Przygotowanie układu eksperymentalnego
	<ol>
		<li>Zdejmij tuleję i podnieś górną pokrywę komory próżniowej. Umieść płytę bazową składającą się z żądanego materiału ścianki w komorze próżniowej. Obróć dolną część komory próżniowej na bok, aby ostrożnie wsunąć płytkę ręcznie.</li>
		<li>Umieść odpowiedni obiekt odniesienia, taki jak cząstka o znanym rozmiarze, na środku płytki bazowej za pomocą pęsety. Następnie wyreguluj wysokość aparatu za pomocą statywu w taki sposób, aby płyta bazowa znajdowała się w najniższej ćwiartce pola widzenia i ustaw ostrość na obiekcie referencyjnym.</li>
		<li>Nagraj krótki film przedstawiający obiekt referencyjny, gdy leży on na płycie podstawowej, z dokładnie takimi samymi ustawieniami, jak w poniższych eksperymentach.</li>
		<li>Usuń obiekt odniesienia za pomocą pęsety.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Procedura eksperymentalna
	<ol>
		<li>Wyreguluj wysokość komory na cząstki w taki sposób, aby osiągnięta została pożądana prędkość uderzenia cząstki. Użyj skali na drążku przymocowanym do płyty mocującej jako wskaźnika wysokości. Zamknij komorę na cząstki końcówką pipety, dociskając ją w dół, tak aby obwód pipety dotykał krawędzi wywierconego otworu w komorze. Otwórz rękaw i podnieś górną pokrywę komory próżniowej.</li>
		<li>Umieść od 50 do 100 kulek w komorze na cząstki. Aby wprowadzić kulki do komory na cząstki, należy je najpierw umieścić na złożonym arkuszu papieru. Użyj złożonego papieru jako rowka, aby wsunąć cząstki do komory. Umieść górną pokrywę w dolnej części komory próżniowej (cylindra) i połącz górną pokrywę i dolną część komory próżniowej z tuleją.</li>
		<li>Opróżnij komorę za pomocą pompy próżniowej, aż do osiągnięcia poziomu 0.1 mbar (lub dowolnej innej żądanej wartości). Zmierz ciśnienie za pomocą wakuometru. Zamknij zawór z boku komory próżniowej i wyłącz pompę próżniową. Podczas pracy w warunkach próżni należy nosić okulary ochronne.</li>
		<li>Rozpocznij nagrywanie szybkiej kamery z prędkością 10 000 kl./s i rozdzielczością 528 x 396 pikseli i otwórz otwór w komorze cząstek, aby uwolnić cząstki. Jednocześnie pociągnij i obróć patyczek przymocowany do końcówki pipety, aby uniknąć problemów z drganiem cierów spowodowanych wysokim tarciem między patyczkiem a pierścieniem uszczelniającym. Ciągnij bardzo powoli, aby zapobiec upadkowi wszystkich cząstek w tym samym czasie.</li>
		<li>Zatrzymaj nagrywanie z kamery 5 do 6 sekund po uderzeniu pierwszej cząstki, ponieważ można zapisać tylko ograniczoną liczbę zdjęć, a pierwsze z nich są nadpisywane po przekroczeniu tego limitu. Przytnij film na ekranie w taki sposób, aby widocznych było co najmniej 10 wyraźnie ostrych uderzeń cząstek i zapisz go na karcie pamięci.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Procedura oceny
	<ol>
		<li>Skalibruj oprogramowanie ze znanym rozmiarem obiektu referencyjnego z filmu w kroku 2.1.3, aby uzyskać konwersję między pikselami i odległościami. Policz liczbę pikseli odpowiadającą rozmiarowi obiektu referencyjnego, a następnie podziel znaną odległość przez liczbę pikseli, aby uzyskać współczynnik konwersji "odległość na piksel".</li>
		<li>Ustaw punkt odniesienia ruchu na górze pierwszej wyraźnie zogniskowanej sfery w filmie dziesięć klatek przed i jedną klatkę przed uderzeniem, aby obliczyć prędkość uderzenia. Obliczyć prędkość uderzenia analogicznie do kroku 1.3.2 wraz ze współczynnikiem konwersji z kroku 2.3.1.</li>
		<li>Ustaw punkt odniesienia ruchu na górze pierwszej wyraźnie zogniskowanej kuli jedną klatkę po uderzeniu i dziesięć klatek po uderzeniu, aby obliczyć prędkość odbicia. Obliczyć prędkość odbicia analogicznie do kroku 2.3.2.</li>
		<li>Oblicz COR jako stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia.</li>
		<li>Powtórz kroki 2.3.2-2.3.3 w celu oceny oddziaływania kolejnych dziewięciu wyraźnie skoncentrowanych sfer.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Aby ogólnie zweryfikować funkcjonalność układu eksperymentalnego, przeprowadza się testy z podobnymi kombinacjami materiałów, jak w innych ustalonych konfiguracjach (Antonyuk i wsp.5 oraz Wong i wsp.13) zostały wykonane. Ponieważ uzyskano bardzo podobne wyniki, ogólna procedura wydaje się działać. Niemniej jednak należy zachować ostrożność w stosunku do tej procedury, a konieczna jest analiza i dalsze ulepszenia.
Głównym ograniczeniem konfiguracji eksper...

Proszki i granulki są wszędzie wokół nas. Życie bez nich jest niemożliwe we współczesnych społeczeństwach. Pojawiają się w żywności i napojach jako ziarna, a nawet mąka, cukier, kawa i kakao. Są potrzebne do codziennych przedmiotów, takich jak toner do drukarki laserowej. Nie wyobrażamy sobie bez nich również przemysłu tworzyw sztucznych, ponieważ plastik jest transportowany w postaci granulatu, zanim zostanie stopiony i otrzyma nowy kształt. Po Ennis i wsp.Co najmniej 40% wartości dodanej do indeksu cen konsumpcyjnych Stanów Zjednoczonych Ameryki przez przemysł chemiczny (rolnictwo, żywność, farmaceutyki, minerały, amunicja) jest związane z technologią cząstek. Nedderman2 stwierdził nawet, że około 50% (wagowo) produktów i minimum 75% surowców to granulowane ciała stałe w przemyśle chemicznym. Stwierdził również, że występuje wiele problemów związanych z magazynowaniem i transportem materiałów sypkich. Jednym z nich jest to, że podczas transportu i przeładunku dochodzi do wielu kolizji. Aby przeanalizować, opisać i przewidzieć zachowanie układu cząstek stałych, można przeprowadzić symulacje metodą elementów dyskretnych (DEM). Do przeprowadzenia tych symulacji niezbędna jest wiedza na temat zachowania układu cząstek stałych przy kolizji. Parametrem opisującym to zachowanie w symulacjach DEM jest współczynnik restytucji (COR), który musi zostać wyznaczony w eksperymentach.
COR to liczba, która charakteryzuje utratę energii kinetycznej podczas uderzenia, jak opisali Seifried et al.3. Wyjaśnili, że jest to spowodowane odkształceniami plastycznymi, rozchodzeniem się fal i zjawiskami lepkosprężystości. Thornton i Ning4 wspomnieli również, że część energii może zostać rozproszona przez pracę z powodu adhezji interfejsu. COR zależy od prędkości uderzenia, zachowania materiału, wielkości cząstek, kształtu, chropowatości, zawartości wilgoci, właściwości adhezyjnych i temperatury, jak stwierdzono w Antonyuk i wsp.5. W przypadku uderzenia całkowicie sprężystego cała pochłonięta energia jest zwracana po zderzeniu, tak że prędkość względna między partnerami kontaktowymi jest równa przed i po uderzeniu. Prowadzi to do COR równego e = 1. Podczas idealnie plastycznego uderzenia cała początkowa energia kinetyczna jest pochłaniana, a partnerzy stykowi sklejają się ze sobą, co prowadzi do COR e = 0. Ponadto Güttler i wsp.6 wyjaśnił, że istnieją dwa rodzaje kolizji. Z jednej strony mamy do czynienia ze zderzeniem dwóch sfer, które jest również znane jako kontakt cząstka-cząstka. Z drugiej strony dochodzi do zderzenia kuli z płytą, które nazywa się również kontaktem cząstka-ściana. Dzięki danym dla COR i innych właściwości materiałów, takich jak współczynnik tarcia, gęstość, współczynnik Poissona i moduł ścinania, można przeprowadzić symulacje DEM w celu określenia prędkości i orientacji cząstek po kolizji, jak wyjaśnili Bharadwaj i wsp.7. Jak wykazano w Antonyuk i wsp.5, COR można obliczyć za pomocą stosunku prędkości odbicia do prędkości uderzenia.
Dlatego stworzono eksperymentalny układ do testów swobodnego spadania, aby zbadać kontakt cząstka-ściana cząstek o średnicy od 0,1 mm do 4 mm. Przewaga eksperymentów ze swobodnym spadaniem w porównaniu z eksperymentami przyspieszonymi, jak w Fu i wsp.8 oraz Sommerfelda i Hubera9 jest to, że rotacja może zostać wyeliminowana. W związku z tym można uniknąć przenoszenia między rotacyjną i translacyjną energią kinetyczną, która wpływa na COR. Cząstki asferyczne muszą być oznaczone jak w Foerster i wsp.10 lub Lorenz i wsp.11 w celu uwzględnienia rotacji. Ponieważ współczynnik oporu zależy od prędkości uderzenia, prędkości uderzenia w eksperymentach muszą odpowiadać tym w rzeczywistych procesach transportu i obsługi. W eksperymentach ze swobodnym spadaniem pod ciśnieniem atmosferycznym prędkość uderzenia jest ograniczona przez siłę oporu, która ma coraz większy wpływ na zmniejszanie się wielkości cząstek. Aby przezwyciężyć tę wadę, konfiguracja eksperymentalna działa w warunkach próżni. Drugim wyzwaniem jest upuszczenie tylko jednej cząstki, ponieważ wtedy możliwe jest wcześniejsze scharakteryzowanie wszystkich właściwości, które mają wpływ na COR, na przykład chropowatości powierzchni i przyczepności. Dzięki tej wiedzy można określić COR zgodnie z właściwościami cząstki. W tym celu opracowano nowy mechanizm zwalniania. Kolejną kwestią są siły przyczepności proszków o średnicy mniejszej niż 400 μm. Dlatego do przezwyciężenia przyczepności konieczne jest suche środowisko o temperaturze otoczenia.
Eksperymentalny zestaw składa się z kilku części. Widok zewnętrzny istniejącego zestawu doświadczalnego pokazano na rysunku 1. Po pierwsze, jest komora próżniowa, która jest wykonana ze szkła. Składa się z dolnej części (cylindra), górnej pokrywy, pierścienia uszczelniającego i tulei do łączenia części. W dolnej części znajdują się dwa otwory do połączenia z pompą próżniową i wakuometrem. Górna pokrywa posiada cztery otwory. Dwa z nich są niezbędne dla drążków opisanego poniżej mechanizmu zwalniającego, a także dwa które mogą być użyte do dalszego udoskonalania eksperymentu. Wszystkie te otwory można zamknąć za pomocą pierścieni uszczelniających i zakrętek podczas pracy w warunkach próżni.
Ponadto, nowy mechanizm uwalniania został opracowany od czasu użycia dyszy próżniowej, jak w wielu innych eksperymentach udokumentowanych w literaturze (na przykład Foerster et al.10, Lorenz i wsp.11, Fu i wsp.12 lub Wong i wsp.13) nie jest możliwe w środowisku próżniowym. Mechanizm jest realizowany przez cylindryczną komorę ze stożkowym otworem, który jest przytrzymywany przez płytę. Jest on połączony z drążkiem, który pasuje do jednego z pierścieni uszczelniających górnej pokrywy komory próżniowej i gwarantuje regulację zmiennej wysokości początkowej dla eksperymentów ze swobodnym spadaniem. Na patyku rysowana jest skala do pomiaru wysokości. Zamykanie komory na cząstki odbywa się za pomocą stożkowej końcówki pipety, która jest ponownie podłączona do patyczka. Nowy mechanizm zwalniający można zobaczyć na rysunku 2 i działa tak, jak opisano tutaj: w stanie początkowym końcówka pipety jest dociskana w dół tak, aby obwód końcówki stykał się z krawędzią wywierconego otworu komory. Komora jest zamykana końcówką pipety w taki sposób, że nie ma miejsca na opuszczenie komory przez otwór cząstki. Aby uwolnić cząstkę, patyczek jest bardzo powoli ciągnięty do góry wraz z połączoną z nim końcówką. W miarę zmniejszania się średnicy końcówki powstaje szczelina między jej obwodem a krawędzią wywierconego otworu, przez którą cząstka może opuścić komorę. Chociaż można by się spodziewać, że cząstka będzie się obracać za pomocą nowo opracowanego mechanizmu uwalniania, ponieważ cząstka może "wytoczyć się" z komory, w eksperymentach pojawia się inne zachowanie. Rysunek 3 przedstawia oddziaływanie cząstki asferycznej od 50 klatek przed uderzeniem do 50 klatek po uderzeniu w krokach co 25 klatek. Z kształtu cząstki nie widać obrotu przed zderzeniem (1-3), zaś po jej uderzeniu w oczywisty sposób wiruje ona (4-5). Dlatego deklarowane zwolnienie nieobrotowe odbywa się za pomocą tego mechanizmu zwalniającego.
Kolejnym elementem eksperymentalnego zestawu jest płyta podstawowa. W rzeczywistości istnieją trzy różne rodzaje płyt bazowych składających się z różnych materiałów. Jeden wykonany jest ze stali nierdzewnej, drugi z aluminium, a trzeci z polichlorku winylu (PVC). Płyty te reprezentują materiały często używane w inżynierii procesowej, na przykład w reaktorach i rurach.
Aby określić prędkość uderzenia i odbicia, używana jest szybka kamera o prędkości 10 000 fps i rozdzielczości 528 x 396 pikseli. Ta konfiguracja jest wybierana, ponieważ w pobliżu uderzenia zawsze znajduje się jeden obraz, a rozdzielczość jest nadal zadowalająca. Kamera jest podłączona do ekranu, który pokazuje filmy w momencie ich nagrania. Jest to konieczne, ponieważ szybka kamera może zapisać tylko ograniczoną liczbę zdjęć i nadpisuje początek filmu po przekroczeniu tej liczby. Ponadto wymagane jest silne źródło światła do oświetlenia pola widzenia kamery szybkoobrotowej. W celu zapewnienia równomierności oświetlenia z tyłu komory próżniowej, która rozprowadza światło, przyklejany jest arkusz papieru do rysunków technicznych.
Na koniec, dwustopniowa pompa łopatkowa jest używana do wytworzenia podciśnienia 0,1 mbar, a wakuometr mierzy próżnię, aby zagwarantować stałe warunki środowiskowe.
Do prezentowanej tutaj pracy używane są szklane koraliki o różnych średnicach cząstek (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3,680 i 4,000 mm). Koraliki wykonane są ze szkła sodowo-wapniowego i są kuliste o dość gładkiej powierzchni.

<table><tbody><tr><td>Szybki aparat fotograficzny Olympus i-SPEED 3</td><td>Olympus</td><td></td><td>Szybki aparat do uchwycenia uderzenia cząstek</td></tr><tr><td>Ekran Olympus i-SPEED CDU</td><td>Olympus</td><td></td><td>Ekran do pracy z szybką kamerą</td></tr><tr><td>Źródło światła Olympus ILP-2</td><td>Olympus</td><td></td><td>Źródło światła niezbędne do nagrywania filmów z dużą liczbą klatek na sekundę</td></tr><tr><td>Pompa próżniowa Alcatel Pascale 2005 D</td><td>Alcatel</td><td></td><td>Pompa próżniowa do wytwarzania próżni podczas eksperymentów</td></tr><tr><td>Wakuometr Alcatel CFA 212</td><td>Alcatel</td><td></td><td>Wakuometr do pomiaru poziomu próżni</td></tr><tr><td>Pakiet oprogramowania i-SPEED (wersja kontrolna)</td><td>Oprogramowanie Olympus</td><td></td><td>do oceny filmów</td></tr><tr><td>Koraliki szklane</td><td>Sigmund Lindner GmbH</td><td></td><td>SiLibeads Typ P (0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3,680, 4,000 mm) SiLibeads Typ S (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4&nbsp; mm) http://www.sigmund-lindner.com (więcej informacji na temat właściwości szkła można znaleźć na stronie internetowej dostawcy)</td></tr><tr><td>Okulary</td><td></td><td></td><td></td> ochronne</tr></tbody></table>

opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni

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

Metoda elementów dyskretnych jest używana do symulacji układów cząstek stałych, do ich opisywania i analizowania, przewidywania, a następnie optymalizacji ich zachowania dla pojedynczych etapów procesu lub nawet całego procesu. Do symulacji z występującymi kontaktami cząstka-cząstka i cząstka-ściana wymagana jest wartość współczynnika restytucji. Można to określić doświadczalnie. Współczynnik restytucji zależy od kilku parametrów, takich jak prędkość uderzenia. Szczególnie w przypadku drobnych cząstek prędkość uderzenia zależy od ciśnienia powietrza, a pod ciśnieniem atmosferycznym nie można osiągnąć wysokich prędkości uderzenia. W tym celu opracowano nową konfigurację eksperymentalną do testów swobodnego spadania w warunkach próżni. Współczynnik restytucji jest określany na podstawie prędkości uderzenia i odbicia, które są wykrywane przez szybką kamerę. Aby nie zasłaniać widoku, komora próżniowa wykonana jest ze szkła. Skonstruowano również nowy mechanizm uwalniający, który upuszcza pojedynczą cząstkę w warunkach próżni. Dzięki temu wszystkie właściwości cząstki można wcześniej scharakteryzować.

Do analizy wykorzystano cząstki szkła o średnicy od 100 µm do 4,0 mm, które upuszczano z wysokości początkowej 200 mm na płytę bazową ze stali nierdzewnej o grubości 20 mm.
Rysunek 6 przedstawia wartości średnie oraz wartości maksymalne i minimalne dla COR w zależności od rozmiaru cząstek dla ciśnienia atmosferycznego i próżni. Stwierdzono, że średnia wartość COR wynosi około e = 0.9 dla cząstek o rozmi...

Współczynnik restytucji to parametr opisujący utratę energii kinetycznej podczas zderzenia. W tym przypadku opracowano układ swobodnego spadania w warunkach próżni, aby móc określić parametr współczynnika restytucji dla cząstek w zakresie mikrometrów o dużych prędkościach uderzenia.

Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Ogólnym celem tej konfiguracji eksperymentalnej jest pomiar współczynnika restytucji zderzających się cząstek w warunkach próżni. Metoda ta może przyczynić się do rozwiązania problemów inżynieryjnych, ponieważ współczynnik restytucji występuje w każdej operacji technicznej, takiej jak transport, przeładunek czy przechowywanie ciał sypkich w przemyśle inżynieryjnym. Główną zaletą tej metody jest możliwość jej zastosowania do drobnych proszków w warunkach próżni bez konieczności przyspieszania cząstki w momencie jej wprowadzenia do komory.Sven Drucker, doktorant z mojego laboratorium, zademonstruje tę procedurę. Pracuje on w ramach projektu o nazwie Pardem. Aby pracować z cząsteczkami o dowolnej wielkości, należy najpierw zdjąć osłonę komory próżniowej i podnieść górną pokrywę.Następnie do komory należy wprowadzić płytkę podstawową z pożądanym materiałem ścianek. Dalej, należy obrócić dolną część komory próżniowej bokiem i ostrożnie wsunąć płytkę podstawową na miejsce. Następnie, używając pęsety, należy umieścić dokładnie jedną cząstkę o znanej wielkości w centrum płytki podstawowej.Następnie należy ustawić kamerę wideo o wysokiej szybkości zamknięcia, zamontowaną na statywie, tak aby płyta bazowa znajdowała się w dolnej ćwiartce pola widzenia, a ostrość była ustawiona na cząsteczkę. Skonfigurować kamerę tak, aby rejestrowała 10 000 klatek na sekundę w rozdzielczości 528 na 396 pikseli. Następnie należy nagrać krótki film z cząsteczką w celach referencyjnych.Nie zapomnij o usunięciu cząsteczki po zakończeniu procesu. Podczas pracy z cząsteczkami o rozmiarze 700 µm lub większym, najpierw dostosuj wysokość komory z cząsteczką, aby osiągnąć pożądaną prędkość uderzenia. Wysokość zmierz za pomocą skali przymocowanej do płyty mocującej.Następnie zamknij komorę cząsteczkową końcówką pipety. Teraz podnieś górną pokrywę komory próżniowej i za pomocą pęsety umieść jedną pojedynczą sferę wewnątrz komory cząsteczkowej. Ten przykład przedstawia sferę lityczną.Można jednak testować również sfery wypełnione cieczą. Umieść górną pokrywę na dolnej części komory próżniowej i połącz górną pokrywę z dolną częścią komory próżniowej za pomocą tulei. Następnie, przed wytworzeniem próżni, załóż okulary ochronne.Za pomocą pompy odessaj powietrze z komory, aż do uzyskania żądanej wartości ciśnienia. Ciśnieniem docelowym w tym pokazie jest 0,1 millibars. Następnie zamknij zawór znajdujący się z boku komory i wyłącz pompę.W tym momencie należy rozpocząć nagrywanie wideo. Podczas nagrywania otwórz otwór w komorze cząsteczek, aby uwolnić cząsteczkę, a jednocześnie pociągnij i przekręć pręt przymocowany do końcówki pipety. Zapobiegnie to problemom z przerywanym przesuwaniem się (tzw. stick-slip) wynikającym z wysokiego tarcia między prętem a uszczelką.Po wystąpieniu uderzenia natychmiast zatrzymaj nagrywanie. Zapisana może zostać tylko ograniczona liczba klatek, a pierwsze z nich zostaną nadpisane natychmiast po przekroczeniu tego limitu. Przytnij film na ekranie w okolicach momentu uderzenia i zapisz go na karcie pamięci.Należy przewidzieć około 10 powtórzeń eksperymentu w celu uzyskania dokładnej wartości głównej. Podczas pracy z drobniejszymi cząstkami należy zastosować w zasadzie tę samą procedurę z kilkoma modyfikacjami. Umieść od 50 do 100 sfer na złożonej kartce papieru, a następnie przenieś cząstki z papieru do komory.Podczas wyciągania pręta na początku eksperymentu należy robić to bardzo powoli, aby zapobiec jednoczesnemu opadnięciu wszystkich cząsteczek. Podczas przycinania filmu należy zrobić to w taki sposób, aby widocznych było co najmniej 10 wyraźnie ostrych uderzeń. Przed oceną danych konieczna jest kalibracja oprogramowania.Wczytaj klatkę z cząstką o rozmiarze znanym, wyznaczonym podczas kalibracji. Następnie policz liczbę pikseli średnicy poziomej i podziel znaną odległość przez liczbę pikseli, aby uzyskać współczynnik konwersji (odległość na piksel). Wymiar poziomy jest łatwiejszy do zastosowania ze względu na kontrast między cząstką a białym tłem.Aby obliczyć prędkość uderzenia, należy wyznaczyć punkt odniesienia ruchu na górnej części sfery 10 klatek przed momentem uderzenia oraz drugi punkt odniesienia jedną klatkę przed uderzeniem. Wykorzystaj liczbę pikseli między tymi dwoma punktami oraz współczynnik konwersji, aby obliczyć przebytą odległość. Następnie podziel odległość przez czas, który upłynął między dziewięcioma klatkami, aby uzyskać prędkość uderzenia.Aby obliczyć prędkość odbicia, należy wykorzystać punkty odniesienia na górnej części sfery, jedną klatkę po uderzeniu oraz dziesięć klatek po uderzeniu. Następnie oblicz współczynnik restytucji (COR) jako stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia. Powtórz wszystkie te kroki w celu oceny wszystkich zarejestrowanych filmów z testów spadku.Cząstki szklane o średnicach od 100 µm do 4 mm zostały zrzucone z wysokości początkowej 200 mm na stalową płytę bazową o grubości 20 mm. Średnia wartość COR wynosiła około 0,9 dla cząstek o rozmiarze 700 µm lub większych. Wynik ten był niezależny od ciśnienia powietrza.W przypadku cząsteczek o średnicy mniejszej niż 400 mikronów, COR pozostawał niemal stały i wynosił 0,9 w warunkach próżni. Pod ciśnieniem atmosferycznym współczynnik restytucji malał wraz ze średnicą cząsteczek. Wyniki dotyczące prędkości uderzenia zależały od rozmiaru cząsteczek oraz ciśnienia atmosferycznego.Pradki proszków były znacznie mniejsze pod ciśnieniem atmosferycznym, podczas gdy ich prędkość uderzenia spadła jedynie nieznacznie w warunkach próżni. Dane wykazały pewne wyjątkowe wartości odstające dla cząstek o rozmiarze 700 mikronów, które mogły powstać w wyniku błędnej kalibracji. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak mierzyć współczynnik restytucji w eksperymentach z wolnym spadkiem w warunkach próżni.Po opanowaniu tej metody, przy jej prawidłowym zastosowaniu, można ją przeprowadzić w półtorej godziny dla 10 cząstek. Należy pamiętać, że praca z cylindrem szklanym w warunkach próżni jest niezwykle niebezpieczna i zawsze należy zachować odpowiednie środki ostrożności.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten artykuł demonstruje eksperymentalną procedurę pomiaru końcowych prędkości osiadania sferycznych cząstek w płynach lepkosprężystych na bazie surfaktantów rozrzedzanych ścinaniem. Przygotowywane są płyny o szerokim zakresie właściwości reologicznych i mierzone są prędkości osiadania dla różnych rozmiarów cząstek w płynach nieograniczonych i płynach między równoległymi ściankami.

Eksperymentalny pomiar prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i ograniczonych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych rozrzedzających ścinanie

Tutaj prezentujemy protokół do pomiaru, z wysoką rozdzielczością przestrzenną, niestabilnego ciśnienia powierzchniowego w przepływach turbulentnych. Metoda ta demonstruje budowę sondy zdalnego mikrofonu (RMP) i określenie jej zależnej od częstotliwości, złożonej funkcji przenoszenia. Przedstawiono i zwalidowano analityczne określenie odpowiedzi dynamicznej.

Pomiar niestabilnego nacisku powierzchniowego za pomocą zdalnej sondy mikrofonowej

Tutaj opisujemy, jak zbudować solidny mechanizm transportu sprężyny dla wskaźnika wirującego wirnika. To urządzenie bezpiecznie unieruchamia wirnik i utrzymuje go pod podciśnieniem podczas transportu. Opisujemy również opakowania, które minimalizują ryzyko uszkodzenia podczas transportu. Testy wykazały, że nasza konstrukcja sprawdza się pod kątem typowych wstrząsów podczas transportu.

Jak zbudować pakiet sprężyny próżniowej do obracających się mierników wirnika?

Przedstawiono protokół pomiaru szybkości odgazowywania wodoru ze zwykłych stalowych komór próżniowych przy użyciu metody szybkości wzrostu ciśnienia.

Pomiar szybkości odgazowywania stali

Eksperymentalnie dostępna analogowa metoda badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych płynach jest prezentowana. Technika ta wykorzystuje obrazowanie prędkości cząstek wibrujących pryzm zboża o wysokiej restytucji i umożliwia bezpośrednią, makroskopową obserwację procesów dynamicznych, o których wiadomo i przewiduje się, że zachodzą w silnie oddziałujących gazach i cieczach o dużej gęstości.

Analogowa technika makroskopowa do badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych gazach i cieczach

Ten protokół pokazuje, jak przygotować próbkę brykietu i przeprowadzić eksperyment jednoosiowego ściskania brykietu przy różnych ciśnieniach CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowania sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości. Jego celem jest również zbadanie zmian w zakresie właściwości fizycznych i mechanicznych węgla wywołanych adsorpcją CO2 .

Eksperyment jednoosiowego sprężania z węglem zawierającym CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowego sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości

Protokół ma na celu zbadanie interakcji między kropelkami a superhydrofobowymi substratami w powietrzu. Obejmuje to kalibrację systemu pomiarowego i pomiar siły oddziaływania na podłożach superhydrofobowych o różnych frakcjach siatki.

Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

Lepkosprężyste właściwości śluzu odgrywają kluczową rolę w oczyszczaniu śluzowo-rzęskowym. Jednak tradycyjne techniki reologiczne śluzu wymagają złożonych i czasochłonnych podejść. Badanie to zapewnia szczegółowy protokół korzystania z reometru laboratoryjnego, który może szybko i niezawodnie wykonywać pomiary lepkosprężyste.

Szybka lepkosprężysta charakterystyka śluzu dróg oddechowych za pomocą reometru laboratoryjnego

Obecny protokół opisuje urządzenie do testowania tarcia, które stosuje jednocześnie wzajemne przesuwanie i normalne obciążenie do dwóch stykających się biologicznych powierzchni stykających się.

Urządzenie do testowania tarcia - bioreaktor do badania biomechaniki stawów maziowych, mechanobiologii i regulacji fizycznej

Protokół ten przedstawia konfigurację urządzenia do testów ściskania zdolnego do precyzyjnego pomiaru właściwości mechanicznych mikrostruktur w obszarze małych odkształceń, wraz z systematyczną metodą testów ściskania z użyciem tego urządzenia. Proponowane urządzenie może być wykorzystywane do analizy różnych mikrostruktur oraz zachowania mechanicznego materiałów na bazie polimerów.

Pomiar odpowiedzi na naprężenie ściskające-odkształcenie przy małych odkształceniach

Poznaj metodę pomiaru współczynnika restytucji cząstek w warunkach próżni. Technika free-fall umożliwia precyzyjne badanie zderzeń mikrocząstek bez ich przyspieszania. Ma zastosowanie w inżynierii materiałów sypkich.

Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni

Przeglądaj więcej filmów