Разработка экспериментальной установки для измерения коэффициента восстановления в условиях вакуума
Summary
Коэффициент восстановления является параметром, который описывает потерю кинетической энергии при столкновении. Здесь, установка свободного падения в условиях вакуума разработан, чтобы иметь возможность определить коэффициент параметра реституционной для частиц в диапазоне микрометра с высокими скоростями удара.
Abstract
Дискретный элемент метод используется для моделирования систем в виде частиц для описания и анализа их, чтобы предсказать, а затем оптимизировать свое поведение для отдельных этапов процесса или даже всего процесса. Для моделирования с происходящий между частицами и частицами стенные контакты, значение коэффициента восстановления требуется. Она может быть определена экспериментально. Коэффициент восстановления зависит от нескольких параметров, таких как скорость удара. Специально для мелких частиц скорость удара зависит от давления воздуха и при атмосферном давлении высокие скорости удара не может быть достигнута. Для этого, новая экспериментальная установка для испытаний свободного падения в условиях вакуума развивается. Коэффициент восстановления определяется с ударной и отскока скорости, которые детектируются камерой с высокой скоростью. Для того, чтобы не препятствовать зрения, вакуумная камера изготовлена из стекла. Кроме того, новый спусковой механизм, чтобы бросить одну частицу под вакуумомусловия строится. В связи с этим, все свойства частицы могут быть охарактеризованы заранее.
Introduction
Порошки и гранулы повсюду вокруг нас. Жизнь без них невозможно в современных обществах. Они появляются в продуктах питания и напитков, как зерно или даже мука, сахар, кофе и какао. Они необходимы для ежедневных используемых объектов, таких как тонер для лазерного принтера. Кроме того, пластиковая промышленность не мыслимые без них, так как пластик транспортируется в гранулированном виде, прежде чем он плавится и дал новую форму. После того, как Эннис и др. 1 , по крайней мере 40% от добавленной стоимости к индексу потребительских цен в Соединенных Штатах Америки в химической промышленности (сельское хозяйство, пищевая промышленность, фармацевтика, минералы, боеприпасов) связано с технологией частиц. Nedderman 2 даже указано , что около 50% (вес) продуктов и минимум 75% сырья являются гранулированные твердые вещества в химической промышленности. Он также заявил, что возникают многие проблемы, касающиеся хранения и транспортировки сыпучих материалов. Одним из них является то, что во время транспортировки и handliнг многие столкновения происходят. Для анализа, описания и предсказать поведение системы в виде частиц, дискретный элемент Метод (DEM) моделирование может быть выполнено. Для этого моделирования знаний о поведении столкновений системы частиц необходимо. Параметр, который описывает это поведение в DEM моделирования является коэффициент восстановления (COR), который должен быть определен в экспериментах.
ПСЗ это число , которое характеризует потерю кинетической энергии при ударе , как описано Seifried и др. 3. Они объяснили, что это вызвано пластических деформаций, распространения волн и вязкоупругих явлений. Торнтон и Нин 4 также отметил , что некоторое количество энергии может быть рассеяна работы за счет взаимодействия адгезии. ПСЗ зависит от скорости удара, поведение материала, размер частиц, форма, шероховатость, содержание влаги, адгезионные свойства и температуры , как указано в Антонюк и др. 5. Для completelу упругого удара вся поглощенная энергия возвращается после столкновения с тем, что относительная скорость между контактными партнерами равны перед и после удара. Это приводит к COR е = 1. В течение идеально пластического воздействия поглощается вся начальная кинетическая энергия и контактные партнеры слипаются , что приводит к COR е = 0. Кроме того, Güttler и др. 6 объяснил , что есть два типы столкновений. С одной стороны, есть столкновение между двумя сферами, который также известен как контакт частица-частица. С другой стороны, существует столкновение между сферой и пластиной, которая также называется частица-стенка контактная. С данными для COR и других свойств материала , как коэффициент трения, плотность, коэффициент и модуль сдвига DEM моделирования Пуассона могут быть выполнены , чтобы определить послестолкновительных скорости и ориентации частиц , как объяснено Bharadwaj и др. 7. Как шоWn в Антонюк и др. 5, ПСЗ можно рассчитать с отношением скорости отскока к скорость удара.
Поэтому была построена экспериментальная установка для свободного падения тесты для изучения частиц стенки контакта частиц с диаметром от 0,1 мм до 4 мм. Преимущество свободного падения экспериментов по сравнению с ускоренными экспериментами как в Fu и др. 8 и Зоммерфельда и Huber 9 является то , что вращение может быть устранено. Следовательно, передача между вращательным и поступательным кинетической энергии, которая влияет на COR можно избежать. Частицы Асферические должны быть отмечены как в Ферстер и др. , 10 или Лоренц и др. 11 , чтобы принять во внимание вращение. Поскольку COR зависит от скорости удара, скорости удара в экспериментах должны соответствовать те, в реальных и подъемно-транспортных процессов. В опытах свободного падения при атмосферном давлении, скорость удара ограниченаот силы сопротивления, оказывает все большее влияние для уменьшения размера частиц. Чтобы преодолеть этот недостаток, экспериментальная установка работает в условиях вакуума. Вторая задача состоит в том, чтобы отбросить только одну отдельную частицу с тех пор можно охарактеризовать все свойства, которые влияют на COR заранее, для поверхности экземпляра шероховатости и сцепления. С этим знанием, ПСЗ может быть определена в соответствии со свойствами частицы. Для этого был разработан новый механизм высвобождения. Другой проблемой является адгезионные силы порошков с диаметром нижней до 400 мкм. Таким образом, сухая и окружающая температура окружающей среды необходимо преодолеть адгезию.
Экспериментальная установка состоит из нескольких частей. Внешний вид существующей экспериментальной установки показана на рисунке 1. Во- первых, есть вакуумная камера , которая сделана из стекла. Она состоит из нижней части (цилиндра), верхнюю крышку, уплотнительное кольцо и втулку для подключениячасти. Нижняя часть имеет два отверстия для соединения с вакуумным насосом и вакуумметром. Верхняя крышка имеет четыре отверстия. Два из них необходимы для шашек спускового механизма, описанного ниже, а также два, которые могут быть использованы для дальнейшего улучшения эксперимента. Все эти отверстия могут быть закрыты с уплотнительными кольцами и винтовыми пробками при работе в условиях вакуума.
Кроме того, новый механизм высвобождения был разработан , так как использование вакуумного сопла , как и во многих других экспериментах , документированных в литературе (например , Ферстер и др. 10, Лоренц и др. 11, Fu и др. 12 или Wong и др. 13) не представляется возможным в вакуумной среде. Механизм реализуется с помощью цилиндрической камеры с коническим шпура, которая удерживается с помощью пластины. Это связано с палочкой, которая помещается в одном из уплотнительных колец верхней крышки вакуумной камеры и гарантирует регулировку variabле начальная высота для экспериментов свободного падения. Шкала обращается на палку для измерения высоты. Закрытие камеры дл частиц реализуется с помощью конического наконечника пипетки, который снова подключен к палке. Новый механизм высвобождения можно видеть на фиг.2 и работает , как описано здесь: в начальном состоянии кончик пипетки проталкивается вниз так, чтобы длина окружности наконечника касается края просверленного отверстия палаты. Камера закрыта с наконечником пипетки таким образом, что нет места для частицы покинуть камеру через отверстие. Чтобы освободить частицу, клюшка тянут вверх очень медленно вместе с наконечником, подключенного к нему. По мере того как диаметр наконечника становится меньше зазор между его окружности и краем шпура возникает, через которую частица может покинуть камеру. Хотя можно было бы ожидать вращение частицы с новым механизмом высвобождения как частица могла ролла 'из Чамбер, различное поведение появляется в экспериментах. На рисунке 3 показано влияние несферической частицы от 50 кадров до 50 кадров в после удара с шагом 25 кадров. Из формы частицы вращение не видно до удара (1-3), тогда как после этого он явно закручивает (4-5). Поэтому заявленное не-вращательный выпуск происходит с этим спусковым механизмом.
Другим компонентом экспериментальной установки является опорная плита. На самом деле существует три различных вида опорных плит, состоящих из различных материалов. Один изготовлен из нержавеющей стали, второй из алюминия и треть из поливинилхлорида (ПВХ). Эти опорные плиты представляют собой часто используемые материалы в технологических процессах, например, в реакторах и труб.
Для определения скорости удара и отскока, используется высокоскоростная камера с 10000 кадров в секунду и разрешением 528 х 396 пикселей. Эта конфигурация выбирается так как всегдаодна картина вблизи воздействия, а также разрешение по-прежнему удовлетворительным. Камера подключается к экрану, который показывает видео в тот момент, когда они записаны. Это необходимо, потому что высокая скорость камера может сохранять только ограниченное количество фотографий и переписывает начало видео, когда эта сумма превышена. Кроме того, сильный источник света для освещения поля зрения камеры высокоскоростного требуется. Для единообразия освещения лист бумаги технического рисунка наклеивается на обратной стороне вакуумной камеры, которая распространяется свет.
Наконец, двухступенчатый роторный насос используется для создания вакуума 0,1 мбар и вакуумметр измеряет вакуум, чтобы гарантировать постоянные условия окружающей среды.
Для здесь представленные работы стеклянные шарики разного диаметра частиц (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3.680 и 4.000 мм) используются. Шарики сделаны из натронной известистекла и имеют сферическую форму с довольно гладкой поверхностью.
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…
Divulgazioni
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) |
|
| Safety goggles |
Riferimenti
- Ennis, B. J., Green, J., Davies, R. The legacy of neglect. U.S. Chem. Eng. Prog. 90 (4), 32-43 (1994).
- Nedderman, R. M. . Statics and Kinematics of Granular Materials. , (1992).
- Seifried, R., Schiehlen, W., Eberhard, P. Numerical and experimental evaluation of the coefficient of restitution for repeated impacts. Int. J. Impact Eng. 32, 508-524 (2005).
- Thornton, C., Ning, Z. A theoretical model for the stick/bounce behaviour of adhesive, elastic-plastic spheres. Powder Technol. 99, 154-162 (1998).
- Antonyuk, S., et al. Energy absorption during compression and impact of dry elastic-plastic spherical granules. Granul. Matter. 12, 15-47 (2010).
- Güttler, C., Heißelmann, D., Blum, J., Krijt, S. Normal Collisions of Spheres: A Literature Survey on Available Experiments. arXIV. , (2012).
- Bharadwaj, R., Smith, C., Hancock, B. C. The coefficient of restitution of some pharmaceutical tablets/compacts. Int. J. Pharm. 402, 50-56 (2010).
- Fu, J., Adams, M. J., Reynolds, G. K., Salman, A. D., Hounslowa, M. J. Impact deformation and rebound of wet granules. Powder Technol. 140, 248-257 (2004).
- Sommerfeld, M., Huber, N. Experimental analysis and modelling of particle-wall collisions. Int. J. Multiphas. Flow. 25, 1457-1489 (1999).
- Foerster, S. F., Louge, M. Y., Chang, H., Allia, K. Measurements of the collision properties of small spheres. Phys. Fluids. 6 (3), 1108-1115 (1994).
- Lorenz, A., Tuozzolo, C., Louge, M. Y. Measurements of Impact Properties of Small, Nearly Spherical Particles. Exp. Mech. 37 (3), 292-298 (1997).
- Fu, J., Adams, M. J., Reynolds, G. K., Salman, A. D., Hounslowa, M. J. Impact deformation and rebound of wet granules. Powder Technol. 140, 248-257 (2004).
- Wong, C. X., Daniel, M. C., Rongong, J. A. Energy dissipation prediction of particle dampers. J. Sound Vib. 319, 91-118 (2009).
- Louge, M. Y., Tuozzolo, C., Lorenz, A. On binary impacts of small liquid-filled shells. Phys. Fluids. 9, 3670-3677 (1997).
