Разработка экспериментальной установки для измерения коэффициента восстановления в условиях вакуума

Общая цель этой экспериментальной установки заключается в измерении коэффициента восстановления сталкивающихся частиц в условиях вакуума. Этот метод может способствовать решению инженерных задач, так как коэффициент восстановления присутствует в любой инженерной операции, такой как транспортировка, погрузочно-разгрузочные работы, хранение гранулированных твердых веществ в машиностроительной отрасли. Основное преимущество этого метода заключается в том, что его можно применять к мелкодисперсным порошкам в условиях вакуума без ускорения частицы при ее попадании в камеру.

Свен Друкер, аспирант из моей лаборатории, продемонстрирует эту процедуру. Он работает в рамках проекта под названием Pardem. Для работы с частицами любого размера сначала снимите втулку над вакуумной камерой и снимите верхнюю крышку.

Затем выберите опорную плиту с нужным материалом стенки в камеру. Затем поверните нижнюю часть вакуумной камеры вбок и осторожно сдвиньте опорную пластину на место. Затем с помощью пинцета поместите ровно одну частицу известного размера в центр опорной пластины.

Затем отрегулируйте положение высокоскоростной видеокамеры, установленной на штативе, так, чтобы опорная пластина находилась в нижней четверти поля зрения, а фокус был на частице. Настройте высокоскоростную камеру на запись со скоростью 10 000 кадров в секунду с разрешением 528 x 396 пикселей. Затем снимите короткое видео частицы для справки.

Не забудьте после этого удалить частицу. При работе с частицами размером 700 микрон или крупнее сначала отрегулируйте высоту камеры частиц так, чтобы была достигнута желаемая скорость удара. Измерьте высоту с помощью шкалы, прикрепленной к удерживающей пластине.

Затем закройте камеру частиц кончиком пипетки. Теперь поднимите верхнюю крышку вакуумной камеры и поместите одну единственную сферу внутрь камеры для частиц с помощью пинцета. В этом примере показана твердотельная сфера.

Тем не менее, сферы, заполненные жидкостью, также могут быть протестированы. Поместите верхнюю крышку на нижнюю часть вакуумной камеры и соедините верхнюю крышку и нижнюю часть вакуумной камеры с рукавом. Теперь наденьте защитные очки перед созданием пылесоса.

С помощью насоса вакуумируйте камеру до тех пор, пока не будет получено нужное давление. Целевое давление в этой демонстрации составляет 0,1 миллибара. Затем закройте клапан сбоку от камеры и выключите насос.

На этом этапе начните запись видео. Во время записи откройте отверстие камеры для частиц, чтобы освободить частицу, и в то же время потяните и поверните палочку, прикрепленную к кончику пипета. Это предотвратит проблемы с проскальзыванием рукояти из-за высокого трения между рукоятью и герметичным кольцом.

После того, как произойдет удар, немедленно остановите запись. Можно сохранить только ограниченное количество кадров, и первые будут перезаписаны, как только лимит будет превышен. Обрежьте фильм примерно в момент удара о экран и сохраните его на карте памяти.

Ожидайте, что эксперимент повторится около 10 раз для получения точного основного значения. При работе с более мелкими частицами используйте по существу ту же процедуру с некоторыми изменениями. Загрузите от 50 до 100 сфер на сложенный лист бумаги и загрузите частицы в камеру с бумаги.

При вытягивании палочки в начале эксперимента тяните очень медленно, чтобы все частицы не упали одновременно. При монтаже фильма делайте это таким образом, чтобы было видно не менее 10 четко сфокусированных ударов. Прежде чем оценивать данные, необходимо откалибровать программное обеспечение.

Загрузите кадр с частицей известного размера, полученной в ходе настройки. Затем подсчитайте количество пикселей горизонтального диаметра и разделите известное расстояние на количество пикселей, чтобы получить коэффициент преобразования — расстояние на пиксель. Горизонталь проще в использовании из-за контраста между частицей и белым фоном.

Чтобы рассчитать скорость удара, установите опорную точку движения на вершине сферы за 10 кадров до точки удара и вторую точку отсчета за один кадр до удара. Используйте количество пикселей между двумя точками и коэффициент преобразования для вычисления пройденного расстояния. Затем разделите расстояние на прошедшее время между девятью кадрами, чтобы получить скорость удара.

Чтобы рассчитать скорость отскока, используйте опорные точки в верхней части сферы, через один кадр после удара и десять кадров после удара. Наконец, рассчитайте коэффициент восстановления, или COR, как отношение скорости отскока к скорости удара. Повторите все эти шаги, чтобы оценить все записанные видео с тестом падения.

Частицы стекла диаметром от 100 микрон до четырех миллиметров сбрасывались с начальной высоты 200 миллиметров на опорную плиту из нержавеющей стали толщиной 20 миллиметров. Среднее значение COR составило около 0,9 для частиц размером 700 микрон и более. Этот результат не зависел от давления воздуха.

Для частиц диаметром менее 400 мкм COR был почти постоянным со значением 0,9 в условиях вакуума. При атмосферном давлении коэффициент восстановления уменьшался с диаметром частиц. Результаты измерения скорости удара зависели от размера частицы и атмосферного давления.

Мелкодисперсные порошки были намного медленнее при атмосферном давлении, в то время как скорость их удара в условиях вакуума уменьшалась лишь незначительно. Данные показали некоторые исключительные выбросы на расстоянии 700 микрон, которые могли быть созданы в результате ложной калибровки. После просмотра этого видео вы должны хорошо понять, как измерить коэффициент восстановления в экспериментах со свободным падением в условиях вакуума.

После освоения этот метод можно проделать за полтора часа на 10 частиц при правильном его применении. Не забывайте, что работа со стеклянным цилиндром в условиях вакуума чрезвычайно опасна, и что всегда следует соблюдать меры предосторожности.