真空条件下で反発係数の測定のための実験のセットアップの開発
Summary
反発係数は、衝突時の運動エネルギーの損失を表すパラメータです。ここで、真空条件下で自由落下セットアップは高い衝撃速度を有するマイクロメートルの範囲の粒子のための回復パラメータの係数を決定することができるように開発されています。
Abstract
個別要素法は、プロセスの単一の段階、さらにはプロセス全体のために彼らの行動を予測し、その後最適化するために、それらを記述し、分析する粒子系のシミュレーションに使用されています。粒子 – 粒子および粒子 – 壁接触を発生するとシミュレーションでは、反発係数の値が必要です。これは、実験的に決定することができます。反発係数は衝突速度のようないくつかのパラメータに依存します。特に微粒子のための衝突速度は、空気の圧力に依存し、大気圧下で高い衝撃速度に到達することはできません。このために、真空条件下で自由落下試験のための新たな実験装置が開発されています。反発係数は、高速カメラによって検出される衝撃や跳ね返り速度で決定されます。視野を妨げないように、真空チャンバは、ガラスで作られています。真空下で1単一粒子をドロップすることも、新しいリリース機構条件が構成されています。ものと、粒子のすべてのプロパティは、事前に特徴づけることができます。
Introduction
粉末および顆粒は、私たちの周りのどこにでもあります。それらのない人生は、現代社会では不可能です。彼らも、穀物や小麦粉、砂糖、コーヒー、ココアとして食べ物や飲み物に表示されます。これらは、レーザープリンタ用トナーのような毎日使用されるオブジェクトのために必要とされます。それが溶融し、新しい形を与えられている前に、プラスチックは顆粒状に搬送されるため、また、プラスチック業界では、それらのない想像ではありません。値のエニスら 1、少なくとも40％は、化学工業（農業、食品、医薬品、ミネラル、軍需）によって米国の消費者物価指数に追加された後、粒子技術に接続されています。 Nedderman 2も製品及び原料の75％以上、約50％（重量）の化学工業における粒状固体であると述べました。彼はまた、粒状物質の貯蔵及び輸送に関する多くの問題が発生することを宣言しました。これらの一つは、輸送およびhandli中ことですngの多くの衝突が起こります。 、分析記述および粒子システムの挙動を予測するために、個別要素法（DEM）のシミュレーションを行うことができます。これらのシミュレーションのための微粒子系の衝突挙動の知識が必要です。 DEMシミュレーションで、この動作を説明するパラメータは実験で決定されなければなら反発（COR）の係数です。
CORは、Seifried らによって記載されるように衝突時の運動エネルギーの損失を特徴付ける数値である。3。彼らは、これは塑性変形、波動伝搬粘弾性現象に起因すると説明しました。ソーントンと寧4はまた、いくつかのエネルギーは、界面の密着性に作業によって消費されるかもしれないと述べました。 Antonyuk らに記載のCORは、衝突速度 、材料挙動、粒径、形状、粗さ、含水率、接着性、および温度に依存する。5。 completelのためコンタクトパートナー間の相対速度が前と衝突後等しくなるように、yの弾性衝撃がすべて吸収されたエネルギーは、衝突後に返されます。これは、すべての初期運動エネルギーが吸収され、接触パートナーはまた、ギュトラーら 6は、2つがあることを説明したE = 0のCORをもたらす一緒に付着されている完全にプラスチック製の衝撃時にE = 1のCORをもたらします衝突のタイプ。一方で、また粒子 – 粒子接触として知られる2つの球の間に衝突があります。一方、球と、粒子壁コンタクトと呼ばれるプレートの間に衝突があります。 CORと摩擦係数のような他の材料特性のためのデータ、密度、ポアソン比およびせん断弾性率DEMシミュレーションはBharadwaj らによって説明されるように、粒子の後の衝突速度 と方向を決定するために行うことができる。7。笙としてWNでAntonyuk ら 5、CORは、速度に影響を与える反発速度の比を算出することができます。
したがって、自由落下試験は4ミリメートルの0.1ミリメートルの直径を有する粒子の粒子壁の接触を調べるための実験を構築しました。フーら 8とゾンマーフェルトとフーバー9のように加速実験に比べて自由落下実験の利点は、回転が解消される可能性があることです。したがって、CORに影響を与え、回転や並進運動エネルギー間の転送を回避することができます。非球面粒子は、フェルスターら 10またはローレンツらのようにマークされる必要がある。11を考慮に回転を取ります。 CORは、衝突速度に依存しているように、実験における衝突速度は、実際の輸送及び取扱いプロセスにおけるものと一致する必要があります。大気圧下での自由落下実験では、衝突速度が制限され抗力によって、減少粒子サイズの増加の影響を有します。この欠点を克服するために、実験は、真空条件下で動作します。第二の課題は、例えば表面粗さと密着性のために、事前にCORに影響を与えるすべてのプロパティを特徴付けることが可能であるので、ただ一つの粒子をドロップすることです。この知識で、CORは、粒子の特性に応じて決定することができます。このため、新しいリリース機構が開発されました。もう一つの問題は、400ミクロンよりも劣っ径の粉末の付着力です。したがって、乾燥、周囲温度環境は、接着を克服する必要があります。
実験は、いくつかのパーツから構成されています。既存の実験の外観は、 図1に示されている。まず、ガラスから作られ、真空チャンバがあります。接続するために下の部分（シリンダー）、トップカバー、シールリングとスリーブで構成されています部品。下部には、真空ポンプ及び真空計との接続のための2つの開口部を有します。トップカバーは、4つの開口部を持っています。それらの二つは、後述する解放機構の付着のために必要であり、また実験のさらなる改善のために使用することができる2つの。真空条件下で作業するときにすべてのこれらの開口部は、シールリングとスクリューキャップで閉じることができます。
また、新しいリリース機構は文献に多くの他の実験のように真空ノズルを使用するため、開発された（例えばフェルスターら 10、ローレンツら 11、フーら 12またはウォンら 13）真空環境では不可能です。機構は、プレートによって保持される円錐形のドリル孔を有する円筒状のチャンバによって実現されます。これは、真空チャンバの上部カバーのシールリングの一つに収まるとvariabの調整を保証する棒に接続されています。自由落下実験のためのル初期の高さ。スケールは、高さを測定するためのスティックに描かれています。粒子チャンバーの閉鎖が再び棒に接続されたピペットの円錐形の先端によって実現されます。新しいリリース機構は、 図2に見られ、ここで説明するように動作することができます：先端の円周は、チャンバのドリル穴の縁に触れるように、初期状態ではピペットチップが押し下げられます。チャンバーは、粒子が穴を通ってチャンバを残すためのスペースがないように、ピペットチップで閉じられています。粒子を解放するには、スティックは、それに接続されたチップと一緒に非常にゆっくりと上向きに引っ張られます。先端の直径が小さいを取得しているように、その周囲とドリル穴の縁部との間のギャップは、粒子がチャンバを残すことができ、それを通して生じます。 1はチャムのうち粒子でした 'ロール」として新たに開発された放出機構を持つ粒子の回転を期待するかもしれないが、BERは、異なる挙動を実験に表示されます。 図3は、25フレームの段階で衝撃後50フレームにする前に、50フレームから非球面粒子の影響を示しています。粒子の形状から、全く回転はその後、それが明らかに（4-5）を回転させるのに対し、インパクト（1-3）の前に表示されていません。したがって主張非回転のリリースでは、この放出機構で行われています。
実験の別の成分は、ベースプレートです。実際には異なる材料からなるベースプレートの3種類があります。一つは、ステンレス鋼、アルミニウムの第二のポリ塩化ビニル（PVC）の第で構成されています。これらのベースプレートは、反応器及びチューブ内の例えばプロセスエンジニアリングで頻繁に使用される材料を表します。
影響を決定し、速度を回復し10,000 FPS及び528のx 396ピクセルの解像度を有する高速度カメラが使用されます。この設定は常にあるとして選ばれます衝撃の近くに1ピクチャとも解像度はまだ満足のいくものです。カメラは、それらが記録されているときに瞬時に動画を表示する画面に接続されています。高速度カメラは、画像のみの限られた量を保存し、この量を超えた映像の先頭を上書きすることができるので、これは、必要です。また、高速度カメラの視野の照明のための強力な光源が必要とされます。照明の均一性のための技術図面紙のシートは、光を拡散する真空チャンバーの裏面に接着されています。
最後に、二段ロータリーポンプは、0.1ミリバールの真空を確立するために使用され、真空計は、一定の環境条件を保証するために真空を測定します。
異なる粒径（0.1〜0.2、0.2から0.3、0.3から0.4、0.700、1.588、2.381、2.780、3.680および4.000ミリメートル）と、ここで提示されたワークガラスビーズのために使用されています。ビーズは、ソーダ石灰で作られていますむしろ表面が平滑な球状ガラスとしています。
Protocol
Representative Results
Discussion
To validate the functionality of the experimental setup in general, tests with similar material combinations as in other established setups (Antonyuk et al.5 and Wong et al.13) were performed. Since very similar results were obtained, the general procedure seems to work. Nevertheless, caution has to be taken towards the procedure and the analysis and further improvements are necessary.
The main limitation of the experimental setup is the quality of the v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| 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) |
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| Safety goggles |
References
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