Entwicklung eines Versuchsaufbau zur Messung des Restitutionskoeffizienten unter Vakuumbedingungen

1Industrial Process Engineering, University of Technology of Compiègne, 2Institute for Particle Technology, Technische Universität Braunschweig
Published 3/29/2016
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Engineering

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Summary

Der Restitutionskoeffizient ist ein Parameter, der den Verlust von kinetischer Energie während des Zusammenstoßes beschreibt. Hier wird ein Freifall Setup unter Vakuumbedingungen wurde entwickelt, um der Lage sein, den Restitutionskoeffizienten Parameter für Partikel im Mikrometer-Bereich mit einer hohen Aufprallgeschwindigkeiten zu bestimmen.

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Drücker, S., Krautstrunk, I., Paulick, M., Saleh, K., Morgeneyer, M., Kwade, A. Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions. J. Vis. Exp. (109), e53299, doi:10.3791/53299 (2016).

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Abstract

Der Discrete-Element-Methode ist für die Simulation von partikulären Systemen verwendet, um sie zu beschreiben und zu analysieren, vorherzusagen und danach ihr Verhalten für einzelne Stufen eines Prozesses zu optimieren oder auch eines ganzen Prozesses. Für die Simulation mit Partikel-Partikel und partikelWandKontakte auftritt, wird der Wert des Restitutionskoeffizienten erforderlich. Es kann experimentell bestimmt werden. Der Restitutionskoeffizient hängt von mehreren Parametern wie der Aufprallgeschwindigkeit. Besonders für feine Partikel das Aufprallgeschwindigkeit ist abhängig von dem Luftdruck und unter Normaldruck hohe Aufprallgeschwindigkeiten nicht erreicht werden kann. Dazu wird eine neue experimentelle Aufbau für sich Freifalltests unter Vakuumbedingungen entwickelt. Der Restitutionskoeffizient wird mit der Aufprall- und Rückprallgeschwindigkeit bestimmt, die durch eine Hochgeschwindigkeitskamera detektiert. Um die Sicht behindern, wird die Vakuumkammer aus Glas. Auch eine neue Freigabemechanismus ein einzelnes Teilchen im Vakuum fallenBedingungen konstruiert. Durch das, können alle Eigenschaften des Teilchens vorher charakterisiert werden.

Introduction

Pulver und Granulate sind überall um uns herum. Ein Leben ohne sie unmöglich ist, in modernen Gesellschaften. Sie erscheinen in Speisen und Getränken in Form von Körnern oder sogar Mehl, Zucker, Kaffee und Kakao. Sie sind für den täglichen gebrauchte Gegenstände wie der Toner für Laserdrucker benötigt. Auch der Kunststoffindustrie ist, ohne sie nicht vorstellbar, da Kunststoff in Granulatform transportiert wird, bevor es geschmolzen wird, und eine neue Form gegeben. Nach Ennis et al. 1 mindestens 40% des Wertes an den Verbraucherpreisindex der Vereinigten Staaten von Amerika von der chemischen Industrie hinzugefügt wird (Landwirtschaft, Lebensmittel, Arzneimittel, Mineralien, Munition) an Partikeltechnologie verbunden. 2 Nedderman sogar festgestellt , dass etwa 50% (Gewicht) der Produkte und ein Minimum von 75% der Rohstoffe sind körniger Feststoffe in der chemischen Industrie. Er erklärte auch, dass es viele Probleme im Zusammenhang mit der Lagerung und den Transport von Schüttgütern auftreten. Eines davon ist, dass während des Transports und handling viele Kollisionen stattfinden. Um zu analysieren, zu beschreiben und das Verhalten eines Partikelsystems vorhersagen, Diskrete Elemente Methode (DEM) Simulationen durchgeführt werden. Für diese Simulationen Kenntnis des Kollisionsverhalten des partikulären Systems erforderlich. Der Parameter, die dieses Verhalten in DEM Simulationen beschreibt, ist der Restitutionskoeffizient (COR), die in Versuchen ermittelt werden muß.

Der COR ist eine Zahl, die den Verlust von kinetischer Energie während des Aufpralls charakterisiert wie durch Seifried et al. 3 beschrieben. Sie erklärten, dass diese durch plastische Verformungen hervorgerufen wird, die Wellenausbreitung und viskoelastischen Phänomene. Thornton und Ning 4 erwähnte auch , dass ein Teil der Energie könnte aufgrund Grenzflächenhaftung durch Arbeit abgeführt werden. Der Ausschuß der Regionen ist abhängig von der Aufprallgeschwindigkeit, Materialverhalten, Partikelgröße, Form, Rauheit, Feuchtigkeitsgehalt, Haftungseigenschaften und Temperatur wie in Antonyuk et al angegeben. 5. Für eine completely elastische Auswirkung alle absorbierte Energie wird nach der Kollision zurückgeführt, so daß die Relativgeschwindigkeit zwischen den Kontaktpartnern gleich vor und nach dem Aufprall ist. Dies führt zu einer COR von e = 1. Bei einem perfekt Kunststoff Auswirkungen all die anfängliche kinetische Energie absorbiert wird und die Kontaktpartner aneinander haften , die zu einer der COR e führt = 0. Weiterhin Güttler et al. 6 erklärt , dass es zwei Arten von Kollisionen. Zum einen gibt es die Kollision zwischen zwei Kugeln, die auch als die Partikel-Partikel-Kontakt bekannt. Auf der anderen Seite gibt es die Kollision zwischen einer Kugel und einer Platte, die auch partikelWandKontakt genannt wird. Mit den Daten für den COR und andere Materialeigenschaften wie Reibungskoeffizient, die Dichte, Poisson-Verhältnis und Schermodul DEM Simulationen durchgeführt werden , um die post-Kollisionsgeschwindigkeiten und Orientierungen der Teilchen , wie erläutert durch Bharadwaj zu bestimmen , et al. 7. als shown in Antonyuk et al. 5 kann die COR mit dem Verhältnis von Rückprallgeschwindigkeit berechnet werden Geschwindigkeit auswirken.

Daher ein Versuchsaufbau für Tests Freifall- die partikelWandKontakt der Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 4 mm konstruiert wurde zu untersuchen. Der Vorteil der Freifallversuche im Vergleich zu einer beschleunigten Experimente wie in Fu et al. 8 und Sommerfeld und Huber 9 ist , dass eine Drehung beseitigt werden könnten. Daher kann die Übertragung zwischen Rotations- und Translationsbewegungsenergie, die den COR beeinflusst vermieden werden. Asphärischen Teilchen benötigen , wie in Foerster et al kennzeichnen. 10 oder Lorenz et al. 11 Drehung zu berücksichtigen. Wie der Ausschuß auf der Aufprallgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit müssen die Aufprallgeschwindigkeiten bei den Versuchen die, die in der realen Transport- und Handling-Prozesse entsprechen. Im freien Fall Experimente unter Atmosphärendruck wird die Aufprallgeschwindigkeit begrenztdurch die Widerstandskraft, mit einem zunehmenden Einfluss für eine abnehmender Teilchengröße. Um diesen Nachteil zu überwinden, arbeitet die Versuchsaufbau unter Vakuumbedingungen. Eine zweite Herausforderung ist, da nur ein einziges Teilchen fallen zu lassen, dann ist es möglich, alle Eigenschaften zu charakterisieren, die den COR vorher beeinflussen, zum Beispiel Oberflächenrauhigkeit und Haftung. Mit diesem Wissen kann der COR entsprechend den Eigenschaften des Teilchens bestimmt werden. Hierzu wurde ein neues Freisetzungsmechanismus entwickelt. Ein weiteres Problem ist die Adhäsionskräfte von Pulvern mit einem Durchmesser geringer als 400 & mgr; m. Daher ist eine trockene und Umgebungstemperaturumgebung notwendige Haftung zu überwinden.

Der Versuchsaufbau besteht aus mehreren Teilen. Eine Außenansicht des vorhandenen Versuchsaufbau ist in Figur 1 gezeigt. Zunächst ist die Vakuumkammer, die aus Glas hergestellt ist. Es besteht aus einem unteren Teil (Zylinder), eine obere Abdeckung, ein Dichtungsring und eine Hülse verbinden dieTeile. Das Unterteil weist zwei Öffnungen für eine Verbindung mit der Vakuumpumpe und dem Vakuummesser. Die obere Abdeckung hat vier Öffnungen. Zwei von ihnen sind für die Stäbe der Entriegelungsmechanismus unten beschrieben und auch zwei, die für die weitere Verbesserung des Experiments verwendet werden kann. Alle diese Öffnungen können mit Dichtungsringen und Schraubverschlüssen verschlossen werden, wenn sie unter Vakuumbedingungen arbeiten.

Außerdem wurde ein neues Freisetzungsmechanismus , da die Verwendung eines Vakuum - Düse , wie in vielen anderen Experimenten entwickelt , in der Literatur dokumentiert (zum Beispiel Foerster et al. 10, Lorenz et al. 11, Fu et al. 12 oder Wong et al. 13) ist in einer Vakuumumgebung nicht möglich. Der Mechanismus wird durch eine zylindrische Kammer mit einer konischen Bohrung realisiert, die von einer Platte gehalten wird. Dies ist mit einem Steuerknüppel verbunden ist, die in einer der Dichtungsringe der oberen Abdeckung der Vakuumkammer passt und gewährleistet die Anpassung eines variable Ausgangshöhe für die Freifallversuche. Eine Skala ist auf dem Stick gezogen, um die Höhe zu messen. Das Schließen der Partikelkammer ist durch eine konische Spitze einer Pipette implementiert, die wiederum zu einem Stab verbunden ist. Das neue Release - Mechanismus ist in Abbildung 2 zu sehen ist und funktioniert wie hier beschrieben: im Ausgangszustand wird die Pipettenspitze nach unten gedrückt , so dass der Umfang der Spitze der Rand der Bohrung der Kammer berührt. Die Kammer wird mit der Pipettenspitze geschlossen, so dass kein Raum für ein Teilchen ist, die Kammer durch das Loch zu verlassen. Um die Partikel lösen, wird der Stick nach oben sehr langsam zusammen mit der Spitze mit ihm verbundenen gezogen. Da der Durchmesser der Spitze kleiner ist immer ein Spalt zwischen seinem Umfang und dem Rand der Bohrung entsteht, durch die die Teilchen die Kammer verlassen kann. Obwohl man könnte mit dem neu entwickelten Lösemechanismus wie das Teilchen könnte 'Roll' aus dem cham eine Drehung des Teilchens erwartenber, erscheint ein anderes Verhalten in den Experimenten dar. 3 zeigt die Auswirkungen einer asphärischen Teilchen aus 50 Rahmen vor dem Rahmen 50 nach dem Aufprall in Schritten von 25 Frames. Aus der Form des Teilchens ist keine Rotation sichtbar vor dem Aufprall (1-3), während danach offensichtlich dreht es (4-5). Deshalb ist die beanspruchte nicht rotierende Freisetzung stattfindet mit diesem Freigabemechanismus.

Eine weitere Komponente des experimentellen Aufbaus ist die Grundplatte. In der Tat gibt es drei verschiedene Arten von Bodenplatten aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Eine aus rostfreiem Stahl, eine zweite aus Aluminium und einer dritten aus Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt. Diese Fußplatten stellen häufig verwendeten Materialien in der Verfahrenstechnik zum Beispiel in Reaktoren und Rohren.

Zur Ermittlung der Auswirkungen und Rückprallgeschwindigkeit, eine Hochgeschwindigkeitskamera mit 10.000 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung von 528 x 396 Pixeln verwendet. Diese Konfiguration wird gewählt, da es immerein Bild in der Nähe der Auswirkungen und auch die Auflösung ist immer noch zufriedenstellend. Die Kamera ist mit einem Bildschirm verbunden ist, die Videos in dem Moment zeigt, wenn sie aufgezeichnet werden. Dies ist notwendig, da die Hochgeschwindigkeitskamera nur eine begrenzte Menge von Bildern und überschreibt den Anfang des Videos, wenn dieser Betrag überschritten wird, zu speichern. Weiterhin ist eine starke Lichtquelle für die Beleuchtung des Gesichtsfeldes der Hochgeschwindigkeitskamera erforderlich ist. Für Ausleuchtung ein Blatt technischen Zeichenpapier ist auf der Rückseite der Vakuumkammer aufgeklebt, die das Licht ausbreitet.

Schließlich wird eine zweistufige Drehschieberpumpe herzustellen, um ein Vakuum von 0,1 mbar und ein Vakuum-Messgerät misst die Vakuum zu garantieren konstante Umgebungsbedingungen eingesetzt.

Für die hier vorgestellten Arbeit Glasperlen mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3,680 und 4,000 mm) verwendet. Die Perlen sind aus Kalk-Natron gemachtGlas und sind mit einer eher glatten Oberfläche sphärisch.

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Protocol

1. Experimente mit Teilchen gröber oder gleich 700 & mgr; m

  1. Vorbereitung der Versuchsaufbau
    1. Entfernen Sie die Hülse und heben Sie die obere Abdeckung der Vakuumkammer. Setzen Sie die Grundplatte, bestehend aus dem gewünschten Wandmaterial in der Vakuumkammer. Drehen Sie den unteren Teil der Vakuumkammer seitlich in der Platte durch die Hände sorgfältig zu gleiten.
    2. Ort genau eines der Teilchen werden mit einer Pinzette in die Mitte der Grundplatte untersucht. justieren Sie anschließend die Höhe der Kamera mit einem Stativ in einer Weise, dass die Grundplatte im untersten Viertel des Gesichtsfeldes ist und sich auf die Partikel.
    3. Entfernen Sie die Partikel mit einer Pinzette.
  2. Versuchsdurchführung
    1. Stellen Sie die Höhe der Partikelkammer in der Weise, dass die gewünschten Auftreffgeschwindigkeit des Partikels erreicht ist. Verwenden Sie die Skala auf dem Stick an der Halteplatte als Indikator für die Höhe. Schließen Sie die Partikelkammer mitdie Spitze der Pipette, indem sie es nach unten drücken, so dass der Umfang der Pipette den Rand der Kammer des Bohrlochs berührt. Öffnen Sie die Hülse und heben Sie die obere Abdeckung der Vakuumkammer.
    2. Legen Sie eine einzelne Kugel in der Partikelkammer mit einer Pinzette. Die Kugel kann fest oder flüssig gefüllte (wie in Louge et al. 14), je nachdem , welche Art von Teilchen analysiert werden. Allerdings nur in dieser Arbeit feste Partikel untersucht. Legen Sie die obere Abdeckung auf dem unteren Teil der Vakuumkammer (Zylinder) und schließen Sie die obere Abdeckung und den unteren Teil der Vakuumkammer mit der Hülse.
    3. Evakuieren der Kammer mit der Vakuumpumpe, bis ein Niveau von 0,1 mbar (oder einem beliebigen anderen Wert) erreicht ist. Messen Sie den Druck mit einem Vakuummeter. Schließen Sie das Ventil an der Seite der Vakuumkammer und schalten Sie die Vakuumpumpe ab. Schutzbrille tragen, wenn sie unter Vakuumbedingungen arbeiten.
    4. Tragen Sie eine Bildrate von 10.000 Bildern pro Sekunde und stellen Sie die Kameraeinstellungen (postulierenion / Zoom) mit einer Auflösung von 528 x 396 Pixel zu erhalten. Starten Sie die Aufnahme des Hochgeschwindigkeitskamera und öffnen Sie das Loch der Partikelkammer die Teilchen zu befreien. Gleichzeitig ziehen und den Stick drehen an die Spitze der Pipette angebracht Stick-Slip-Probleme aufgrund der hohen Reibung zwischen Stick und Dichtring zu vermeiden.
    5. Stoppen Sie die Aufzeichnung der Kamera direkt nach dem Aufprall, da nur eine begrenzte Anzahl von Bildern und die ersten, die überschrieben werden gespeichert werden können, wenn diese Grenze überschritten wird. Schneiden Sie den Film um den Augenblick des Aufpralls auf den Bildschirm und speichern Sie sie auf der Speicherkarte.
    6. Wiederhole den Versuch zehnmal statistisch signifikante Ergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisse sind statistisch signifikant, wenn nach zehn Wiederholungen der Mittelwert ändert nicht mehr (dies könnte für andere Materialien unterschiedlich sein in Abhängigkeit von der Homogenität der Probe oder anderen Partikelformen).
  3. Bewertungsverfahren
    1. Kalibrieren Sie die Software mit dem Known Größe eines Teilchens oder einem anderen Objekt unter Verwendung eines Rahmens des in Schritt Video 1.2.4 eine Umwandlung zwischen den Pixeln und Entfernungen zu erhalten. Verwenden Sie den horizontalen Durchmesser, da sie nicht verwischt wegen der Bewegung des Teilchens ist.
      1. Zählen die Anzahl von Pixeln des horizontalen Durchmessers und dann teilen den bekannten Abstand durch die Anzahl der Pixel, die den Umrechnungsfaktor 'Abstand pro Pixel' zu erhalten. Ein Bild des Kalibrierungsprozesses wird in Figur 4 gezeigt.
    2. Stellen Sie einen Referenzpunkt der Bewegung auf der Oberseite der Kugel zehn Frames vor und einen Rahmen vor dem Aufprall die Aufprallgeschwindigkeit zu berechnen. Abbildung 5 die beiden Bezugspunkte der Bewegung präsentiert. Mit dem Umrechnungsfaktor von Schritt 1.3.1, verwenden Sie die Anzahl der Pixel zwischen den beiden Punkten die gefahrene Strecke zu erhalten. Teilen Sie den Abstand von der verstrichenen Zeit (Produkt der Anzahl der Frames und Zeitschritt), um die Aufprallgeschwindigkeit zu erhalten.
    3. Stellen Sie einen BezugspunktBewegung auf der Oberseite der Kugel eines Rahmens nach und zehn Frames nach dem Aufprall die Rückprallgeschwindigkeit zu berechnen. Bestimmen Sie die Rückprallgeschwindigkeit analog 1.3.2 zu treten.
    4. Berechnen Sie die COR als Verhältnis von Rückprallgeschwindigkeit zu Aufprallgeschwindigkeit.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 1.3.1-1.3.4 für die Auswertung aller Falltest-Videos aufgezeichnet.

2. Versuche mit Powders Finer oder gleich 400 & mgr; m

  1. Vorbereitung der Versuchsaufbau
    1. Entfernen Sie die Hülse und heben Sie die obere Abdeckung der Vakuumkammer. Setzen Sie die Grundplatte, bestehend aus dem gewünschten Wandmaterial in der Vakuumkammer. Drehen Sie den unteren Teil der Vakuumkammer seitlich in der Platte durch die Hände sorgfältig zu gleiten.
    2. Ein angemessenes Referenzobjekt wie ein Teilchen mit einer bekannten Größe in der Mitte der Grundplatte mit einer Pinzette. justieren Sie anschließend die Höhe der Kamera mit einem Stativ in einer solchen Art und Weise, dass die Grundplatte im untersten Viertel ist vondas Gesichtsfeld und Fokus auf das Referenzobjekt.
    3. Nehmen Sie ein kurzes Video des Referenzobjekts, wenn es mit genau den gleichen Einstellungen wie in den folgenden Experimenten auf der Grundplatte liegen.
    4. Entfernen Sie die Referenzobjekt mit einer Pinzette.
  2. Versuchsdurchführung
    1. Stellen Sie die Höhe der Partikelkammer in der Weise, dass die gewünschten Auftreffgeschwindigkeit des Partikels erreicht ist. Verwenden Sie die Skala auf dem Stick an der Halteplatte als Indikator für die Höhe. Schließen Sie die Partikelkammer mit der Spitze der Pipette, indem sie es nach unten drücken, so dass der Umfang der Pipette den Rand der Bohrung der Kammer berührt. Öffnen Sie die Hülse und heben Sie die obere Abdeckung der Vakuumkammer.
    2. Setzen Sie 50 bis 100 Kugeln in der Partikelkammer. Um die Kugeln in die Partikelkammer zu führen, abzuscheiden sie zuerst auf einem gefalteten Blatt Papier. Verwenden das gefaltete Papier als eine Nut, die Partikel in die Kammer zu gleiten. Legen Sie die obere Abdeckung auf ter unteren Teil der Vakuumkammer (Zylinder) und schließen Sie die obere Abdeckung und den unteren Teil der Vakuumkammer mit der Hülse.
    3. Evakuieren der Kammer mit der Vakuumpumpe, bis ein Niveau von 0,1 mbar (oder einem beliebigen anderen Wert) erreicht ist. Messen Sie den Druck mit einem Vakuummeter. Schließen Sie das Ventil an der Seite der Vakuumkammer und schalten Sie die Vakuumpumpe ab. Schutzbrille tragen, wenn sie unter Vakuumbedingungen arbeiten.
    4. Starten Sie die Aufnahme des Hochgeschwindigkeitskamera mit 10.000 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung von 528 x 396 Pixeln und öffnen Sie das Loch der Partikelkammer, die Teilchen zu befreien. Gleichzeitig ziehen und den Stick drehen an die Spitze der Pipette angebracht Stick-Slip-Probleme aufgrund der hohen Reibung zwischen Stick und Dichtring zu vermeiden. Ziehen sehr langsam zu verhindern, dass alle Teilchen in der gleichen Zeit fallen.
    5. Stoppen Sie die Aufzeichnung der Kamera 5 bis 6 Sekunden nach dem Einschlag des ersten Teilchens, da nur eine begrenzte Anzahl von Bildern gespeichert werden und die Tannest diejenigen, werden überschrieben, wenn diese Grenze überschritten wird. Schneiden Sie den Film auf dem Bildschirm so, dass mindestens 10 klar fokussierte Auswirkungen von Partikeln sind sichtbar und speichern Sie sie auf der Speicherkarte.
  3. Bewertungsverfahren
    1. Kalibrieren der Software mit der bekannten Größe des Referenzobjektes aus dem Video von Schritt 2.1.3 eine Umwandlung zwischen den Pixeln und Entfernungen zu erhalten. Zählen die Anzahl von Pixeln der Größe des Referenzobjekts und dann dividieren der bekannten Entfernung durch die Anzahl der Pixel, die den Umrechnungsfaktor 'Abstand pro Pixel' zu erhalten.
    2. Stellen Sie einen Referenzpunkt der Bewegung auf der Oberseite der ersten klar fokussierten Bereich in dem Video zehn Frames vor und einen Rahmen vor dem Aufprall die Aufprallgeschwindigkeit zu berechnen. Berechnen Sie die Aufprallgeschwindigkeit analog 1.3.2 zusammen aus Schritt 2.3.1 mit dem Umrechnungsfaktor zu treten.
    3. Stellen Sie einen Referenzpunkt der Bewegung auf der Oberseite der ersten klar fokussierten Bereich eines Rahmens nach und zehn Frames achterner die Auswirkungen der Rückprallgeschwindigkeit zu berechnen. Berechnen Sie die Rückprallgeschwindigkeit analog 2.3.2 Schritt.
    4. Berechnen Sie die COR als Verhältnis von Rückprallgeschwindigkeit zu Aufprallgeschwindigkeit.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 2.3.2-2.3.3 für die Bewertung der Auswirkungen von weiteren neun klar fokussierten Sphären.

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Representative Results

Für die Analyse Glaspartikel mit einem Durchmesser von 100 & mgr; m bis 4,0 mm wurden von einer Anfangshöhe von 200 mm auf einem rostfreien Stahl-Grundplatte mit einer Dicke von 20 mm getropft.

Abbildung 6 zeigt die Mittelwerte als auch die Maximal- und Minimalwerte für den COR von der Partikelgröße für den atmosphärischen Druck und Vakuum ab. Der Mittelwert des COR gefunden etwa e = 0,9 für Teilchen , die größer oder gleich 700 & mgr; m , unabhängig von dem Luftdruck sein.

Für Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 400 & mgr; m bleibt der COR nahezu konstant bei einem Wert von E = 0,9 unter Vakuumbedingungen. Unter Atmosphärendruck verringert sich die COR mit Partikeldurchmesser abnimmt. Ein Grund hierfür könnte sein, dass die Luft vor dem Partikel während der Freifall komprimiert which Ergebnisse in Art eines Kissens, das die Kollision dämpft, absorbiert kinetische Energie und aufgrund dessen, dass auf einen niedrigeren COR führt. In beiden Fällen sind die Abweichungen größer als bei gröberen Partikeln. Eine Erklärung hierfür könnte sein, dass die feinen Teilchen nur die Größe von einigen Pixeln in dem Video hatten. Daher ist der Fehler aufgrund der Wahl der Pixel in einem unscharfen Bild ist intensiv.

Die Ergebnisse für die Aufprallgeschwindigkeit auf die Partikelgröße für Atmosphärendruck und Vakuum Abhängigkeit sind in Figur 7 dargestellt. Für die Auftreffgeschwindigkeit die Mittelwerte, die maximale und die minimale gezeigt. Der mittlere Wert der Aufprallgeschwindigkeit wird mit ungefähr v i ausgewertet = 2 msec -1 für Partikel größer als 700 um unabhängig vom Luftdruck. Eine Ausnahme wird für einen Partikeldurchmesser von 700 & mgr; m, wo die Aufprallgeschwindigkeit deutlich geringer ist unter Vakuumbedingungen undsogar etwas mehr unter Atmosphärendruck. Für eine abnehmender Partikeldurchmesser wurde eine Verringerung der Aufprallgeschwindigkeit unter Atmosphärendruck zu erwarten. Im Gegensatz dazu sollte der Aufprallgeschwindigkeit die gleiche unter Vakuumbedingungen bleiben. einen genaueren Blick auf die Auswertemethode hat es gesehen werden kann, ist für die gröberen Partikel zu derjenigen unterschiedlich, dass die Partikel mit einem Durchmesser von 700 um die Kalibrierung für die Umwandlung zwischen den Pixeln und Distanzen. Das Verhältnis der Pixel pro Millimeter ist deutlich höher, was zu geringeren Geschwindigkeiten führt. Ein Grund für die falsche Kalibrierung könnte sein, dass die Kamera nicht in der Lage ist, um die korrekte Form der feineren Teilchen erkennen. Unter Verwendung der gleichen standardisierten Eich wie für die gröberen Teilchen, die die Aufprallgeschwindigkeiten immer noch näherungsweise in dem gleichen Bereich sind und die Ausreißer eliminiert werden können.

Für Pulver mit einem Durchmesser geringer als 400 um die Aufprallgeschwindigkeit abnimmtsignifikant mit einem Partikeldurchmesser unter Atmosphärendruck verringert wird. Das Gleichgewicht der Luftreibungskraft und Schwerkraft, und auch die Sinkgeschwindigkeit wird früher für feinere Partikel erreicht. Im Gegensatz dazu ist die Auftreffgeschwindigkeit unter Vakuumbedingungen nahezu konstant auch für die Pulver. Dies beweist die Theorie eines unendlich Beschleunigungs Partikels, wenn es keine Luft ist, die in einer Bremskraft zur Folge haben kann und dadurch ein Kräftegleichgewicht wird nie erreicht. Es zeigt auch die Notwendigkeit von Vakuumbedingungen und damit auch die neu entwickelte Entriegelungsmechanismus hohen Aufprallgeschwindigkeiten mit feinen Partikeln zu erreichen. Bei diesen Versuchen nur eine leichte Abnahme der Aufprallgeschwindigkeit ist erkennbar, dass durch die Tatsache erklärt werden kann, dass nur ein Vakuum von 0,1 mbar erreicht, die kein perfektes Vakuum ist. Die viel höheren Abweichungen für Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 0,113 mm auftreten, da der Einfluss des Fehlers aufgrund der Auswahl der Bildpunkte in einem blurred Bild ist für niedrigere Geschwindigkeiten höher.

Abbildung 1
Abbildung 1. Außenansicht der Vakuumkammer. Diese Figur zeigt die Vakuumkammer von der Seite. Man kann sehen, den unteren Teil mit seinen zwei Öffnungen für eine Verbindung mit der Vakuumpumpe und der Vakuummeter. Außerdem sind die obere Abdeckung mit vier Öffnungen mit Dichtungsringen und Schraubkappen sichtbar. Der Dichtungsring ist zwischen dem unteren Teil und dem oberen Teil. Die Hülle wurde in diesem Bild entfernt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Freigabemechanismus mit Partikelkammer und einer Pipettenspitze. Diese Zahl beschreibt die neu developed Freigabemechanismus für Vakuumexperimente. Zum einen kann gesehen werden, die Platte die zylindrische Kammer mit einem konischen Bohrloch zu halten. Darüber hinaus werden die zwei Stöcke für die Einstellung eines variablen Ausgangshöhe und die Verbindung mit der konischen Spitze einer Pipette dargestellt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. Nicht-Dreh - Release. Dieses Bild zeigt eine Reihe von Bildern einer asphärischen Teilchen aus 50 (1) und 25 Bilder (2) vor dem Aufprall sowie auf die Auswirkungen (3) und bei 25 (4) und 50 (5) Rahmen nach dem Aufprall. Die identische Form des Teilchens auf die Auswirkungen auf enthüllt die nicht drehende Freisetzung. Bitte click hier eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4. Die Kalibrierung der Software. Diese Figur zeigt ein Teilchen aus einem Video eines aufgezeichneten Freifall- Experiment. Die rote Linie stellt die Größe des Teilchens und umfasst die Anzahl der Pixel , die für den Umrechnungsfaktor zu berechnen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5. Referenzpunkt der Bewegung. Diese Figur stellt ein Teilchen in einem Video von einem aufgezeichneten freien Fall Experiment. Die beiden roten Kreuze zeigen die beiden Bezugspunkte der Bewegung auf der Oberseite der Kugel in den jeweiligen Rahmen: die obere aufe um zehn Frames vor dem Aufprall und die untere an einem Rahmen vor dem Aufprall. Der Abstand zwischen den beiden Punkten verwendet wird , um die Aufprallgeschwindigkeit des Teilchens zu berechnen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6. Einfluss der Partikelgröße und der Luftdruck auf der COR. Diese Figur zeigt die Mittelwerte als auch die Maximal- und Minimalwerte mit den Fehlerbalken für den COR abhängig von der Partikelgröße. Die blauen Diamanten stellen die Ergebnisse für Experimente unter Atmosphärendruck, während die orange Kreise Ergebnisse für Experimente unter Vakuumbedingungen zeigen. Glasteilchen wurden auf einem rostfreien Stahlgrundplatte von einer Anfangshöhe von 200 mm fallen gelassen. Jeder Datenpunkt stellt den Mittelwert von zehn repetitions des Experiments. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

7
Abbildung 7 : Einfluß der Partikelgröße und der Luftdruck auf der Aufprallgeschwindigkeit. Diese Figur zeigt die Mittelwerte für die Geschwindigkeit Auswirkung in Abhängigkeit von der Partikelgröße. Darüber hinaus sind die maximalen und minimalen durch die Fehlerbalken dargestellt Werte werden dargestellt. Die gefüllten blauen Diamanten zeigen Ergebnisse für Experimente unter Atmosphärendruck, während die gefüllten orange Kreise Ergebnisse für Experimente unter Vakuumbedingungen anzuzeigen. Der leere Diamant und der leere Kreis illustrieren Ausreißer wegen Kalibrierungsfragen. In den Experimenten Glasteilchen wurden auf einem rostfreien Stahlgrundplatte von einer Anfangshöhe von 200 mm fallen gelassen. Jeder Datenpunkt stellt den Mittelwertvon zehn Wiederholungen des Experiments. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 8
Abbildung 8. Die Zukunft Versuchsaufbau. Diese Figur zeigt die Zukunft experimentellen Aufbau die Instabilität der Partikelkammer während der Freisetzung zu minimieren. Die automatisierte Einrichtung mit dem Stock durch Buchsen geführt sind, sowie die Leitung für die Verbindung des Stiels an den Motor über zwei Riemenscheiben gezeigt. Auch wird der Rahmen angezeigt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
High-speed camera Olympus i-SPEED 3 Olympus High-speed camera to capture the particle impact
Screen Olympus i-SPEED CDU Olympus Screen to work with the high-speed camera
Light source Olympus ILP-2 Olympus Light source necessary for taking videos at high frame rates
Vacuum pump Alcatel Pascale 2005 D Alcatel Vacuum pump to generate the vacuum during the experiments
Vacuum gauge Alcatel CFA 212 Alcatel Vacuum gauge to measure the vacuum level
i-SPEED Software Suite (Control version) Olympus Software to evaluate the videos
Glass beads Sigmund Lindner GmbH SiLibeads Type P (0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680, 4.000 mm)
SiLibeads Type S (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4 mm)
http://www.sigmund-lindner.com (see supplier's website for more information about the glass properties)
Safety goggles

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References

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