פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק

Summary

מקדם שבת הוא פרמטר המתאר את אובדן האנרגיה הקינטית במהלך התנגשות. הנה, התקנת נפילה חופשית בתנאי ואקום מפותח כדי להיות מסוגל לקבוע את מקדם פרמטר שבת עבור חלקיקים בטווח מיקרומטר עם מהירויות מרשימות.

Abstract

שיטת האלמנט הדיסקרטית משמשת הסימולציה של מערכות חלקיקים לתאר ולנתח אותם, כדי לחזות ולאחר מכן לייעל את התנהגותם לשלבים יחידים של תהליך או אפילו תהליך כולו. הסימולציה עם התרחשות קשר חלקיק-חלקיק וחלקיק-קיר, הערך של מקדם התקומה נדרש. זה יכול להיקבע באופן ניסיוני. מקדם שבת תלוי במספר פרמטרים כמו מהירות ההשפעה. במיוחד עבור חלקיקים זעירים מהירות ההשפעה תלוי בלחץ אוויר בלחץ אטמוספרי במהירויות גבוהות השפעה לא ניתן להגיע. לשם כך, התקנה ניסיונית חדשה לבדיקות נפילה חופשית בתנאי ואקום מפותחת. מקדם שבת נקבע עם מהירות השפעת הריבאונד אשר מזוהות על ידי מצלמה במהירות גבוהה. כדי לא לעכב את הנוף, ואקום החדר עשוי מזכוכית. כמו כן מנגנון שחרור חדש לרדת חלקיק אחד בודד תחת ואקוםתנאי בנוי. עקב כך, כל המאפיינים של החלקיקים ניתן לאפיין מראש.

Introduction

אבקות גרגירים נמצאים בכל מקום סביבנו. חיים בלעדיהם אי אפשר בחברות מודרניות. הם מופיעים מזון ומשקאות דגנים או אפילו קמח, סוכר, קפה וקקאו. הם נדרשים עבור אובייקטים בשימוש יומיומי כמו הטונר במדפסת לייזר. גם תעשיית הפלסטיק אי-אפשר לדמיין בלעדיהם, כי פלסטיק מועבר בצורה פרטנית לפני שהוא נמס נתון צורה חדשה. לאחר אניס ואח '. ¹ לפחות 40% מהערך המוסף למדד המחירים לצרכן של ארצות הברית של אמריקה על ידי התעשייה הכימית (חקלאות, מזון, תרופות, מינרלים, תחמושת) מחוברת לטכנולוגיה החלקיקים. Nedderman ² אף הצהיר כי כ -50% (משקל) של מוצרי מינימום של 75% מחומרי הגלם הנם מוצקים פרטניים בתעשייה הכימית. כמו כן הצהיר כי יש נוצרים בעיות רבות הנוגעות אחסון והובלה של חומרים גרעיניים. אחת מהן היא כי במהלך ההובלה handling רבים התנגשויות להתקיים. כדי לנתח, לתאר ולחזות את ההתנהגות של מערכת חלקיקים, שיטת אלמנטים בדידה (DEM) סימולציות יכולות להתבצע. בשביל ידע סימולציות אלה של התנהגות ההתנגשות של מערכת החלקיקים הכרחי. הפרמטר המתאר התנהגות זו בהדמיות DEM הוא מקדם תקומה (COR) כי יש לקבוע בניסויים.

התפאורה היא מספר המאפיינת את אובדן האנרגיה הקינטית במהלך הפגיעה כפי שתואר על ידי סייפריד et al. ^3. הם הסבירו כי זו נגרמת על ידי דפורמציות פלסטיק, התפשטות גלים ותופעות viscoelastic. גם תורנטון נינג ⁴ ציינו כי כוחות עלולים להיות נצרכים על ידי עבודה עקב ממשק הידבקות. התפאורה תלוי מהיר השפעה, התנהגות חומר, גודל חלקיקים, צורה, חספוס, תכולת לחות, תכונות הידבקות וטמפרטורה כאמורה Antonyuk et al. ^5. במשך completelהשפעת y אלסטי כל האנרגיה הנספגת מוחזר לאחר ההתנגשות, כך המהירות היחסית בין שותפי קשר שווה לפני ואחרי ההתנגשות. זה מוביל COR של e = 1. במהלך השפעת פלסטיק בצורה מושלמת את כל האנרגיה הקינטית הראשונית נספגת שותפי הקשר נדבקים זה לזה מה שמוביל COR של e = 0. כמו כן, Güttler et al. ⁶ הסביר כי ישנם שני סוגים של התנגשויות. מצד אחד, יש את ההתנגשות בין שני תחומים אשר ידועים גם בשם איש קשר החלקיק-חלקיק. מצד השני, יש את ההתנגשות בין כדור וצלחת כי נקראה גם קשר חלקיק-קיר. עם נתונים עבור COR ומאפיינים חומר אחר כמו מקדם החיכוך, צפיפות, מודולוס יחס גזירה פואסון סימולציות DEM ניתן לבצע כדי לקבוע את מהירויות שלאחר collisional אוריינטציות של חלקיקים כפי שהוסבר על ידי Bharadwaj et al. ^7. כפי shown ב Antonyuk et al. ^5, COR ניתן לחשב עם יחס של מהירות ריבאונד להשפיע מהירות.

לכן התקנה ניסיונית עבור בדיקות נפילה חופשית לבחון את קשר חלקיק-קיר של חלקיקים בקוטר של 0.1 מ"מ עד 4 מ"מ נבנתה. היתרון של ניסויי נפילה חופשית לעומת ניסויים מואצים כמו פו et al. ⁸ ו סומפרלד הובר ⁹ הוא כי סיבוב עלול להתבטל. לפיכך, העברה בין האנרגיה הקינטית הסיבובית ו translational המשפיע על COR ניתן להימנע מכך. חלקיקים אספריים צריכים להיות מסומנים כמו פרסטר et al. ¹⁰ או לורנץ et al. ¹¹ לקחת סיבוב בחשבון. ככל COR הוא תלוי מהיר ההשפעה, מהירויות ההשפעה בניסויים צריכים להתאים לאלה בתהליכי ההובלה וטיפול האמיתיים. בניסויי נפילות בלחץ אטמוספרי, מהירות ההשפעה מוגבלתעל ידי כוח הגרר, בעל השפעה הגוברת על גודל חלקיקים יורד. כדי להתגבר על חסרון זה, הגדרת הניסוי עובדת בתנאי ואקום. אתגר שני הוא לרדת רק חלקיק אחד בודד ומאז אפשר לאפיין את כל המאפיינים המשפיעים על COR מראש עבור חספוס פני שטח למשל הידבקות. עם הידע הזה, פקידת ההתקשרות ניתן לקבוע על פי המאפיינים של החלקיקים. לשם כך, מנגנון שחרור חדש פותח. בעיה נוספת היא הכוחות הדבקים של אבקות בקוטר נח 400 מיקרומטר. לכן, בסביבת טמפרטורה יבשה הסביבה יש צורך להתגבר על הידבקות.

הגדרת הניסוי מורכבת מכמה חלקים. נוף חיצוני של הגדרת הניסוי הקיים מוצג באיור 1. ראשית, ישנו ואקום החדר כי הוא עשוי זכוכית. הוא מורכב של חלק תחתון (צילינדר), כיסוי עליון, טבעת חותם שרוול לחיבורחלקים. החלק התחתון יש שני פתחים עבור חיבור עם משאבת ואקום ואת מד ואקום. את המכסה העליון יש ארבעה פתחים. שניים מהם נחוצים מקלות של מנגנון שחרור כמתואר להלן וכן שני, שניתן להשתמש בהם עבור שיפורים נוספים של הניסוי. כל הפתחים הללו ניתן לסגור עם טבעות חותמות פקקי הברגה כשעובד בתנאי ואקום.

יתר על כן, מנגנון שחרור חדש פותח מאז שימוש זרבובית ואקום כמו בניסויים רבים אחרים שתועדו בספרות (למשל פרסטר ואחות '. ^10, לורנץ et al. ^11, פו et al. ¹² או וונג ואח'. ¹³⁾ לא אפשרי בסביבת ואקום. המנגנון מתממש על ידי מדור גלילי עם חור קידוח חרוטים, המוחזק על ידי צלחת. זה קשור למקל שמתאים אחת ההטבעות החותמות של המכסה העליון של תא הוואקום ומבטיח התקנון של variabגובה le ראשוני עבור ניסויי הנפילה חופשית. סולם מצויר על המקל למדידת הגובה. סגירת תא החלקיקים מיושמת על ידי טיפ חרוטים של פיפטה שמחוברת שוב למקל. מנגנון המהדורה החדש ניתן לראות באיור 2 ועובד כפי שמתואר כאן: במצב ההתחלתי קצה פיפטה נדחף כלפי מטה, כך ההיקף של הקצה נוגע בקצה לקדוח חור של התא. תא סגור עם קצה פיפטה כך אין מקום חלקיק לעזוב תוך תא הבידוד דרך החור. כדי לשחרר את החלקיקים, המקל הוא משך כלפי מעלה יחד לאט מאוד עם הקצה המחובר אליו. ככל בקוטר של הקצה הולך ומצטמצם פער בין היקפו ואת הקצה לקדוח החור מתעורר שדרכו החלקיק יכול לעזוב את החדר. למרות שניתן היה לצפות סיבוב של החלקיק עם מנגנון שחרור החדש שפותח כמו החלקיק יכול 'רול "מתוך צ'אםבער, התנהגות שונה מופיעה הניסויים. איור 3 מראה את ההשפעה של חלקיק aspherical מ 50 פריימים לפני 50 פריימים אחרי ההשפעה בצעדים של 25 מסגרות. מן הצורה של החלקיקים לא סיבוב גלוי לפני השפעת (1-3) ואילו לאחר מכן זה ברור ספינים (4-5). לכן שחרורו הלא הסיבוב טען מתקיים עם מנגנון שחרור זה.

מרכיב נוסף של הגדרת הניסוי הוא baseplate. למעשה ישנם שלושה סוגים שונים של baseplates מורכב מחומרים שונים. אחת עשוי נירוסטה, שנייה של אלומיניום שליש פוליוויניל כלוריד (PVC). baseplates אלה מייצגים חומרים המשמשים לעתים קרובות בהנדסת תהליך למשל בכורים וצינורות.

כדי לקבוע את מהירויות השפעת ריבאונד, מצלמה במהירות גבוהה עם 10,000 fps ברזולוציה של 528 x 396 פיקסלים משמשת. תצורה זו נבחרה תמיד ישתמונה אחת ליד ההשפעה וגם הרזולוציה היא עדיין משביעה רצון. המצלמה מחוברת אל מסך שמציג סרטונים המיידיים כאשר נקלטים. זה הכרחי, כי המצלמה במהירות הגבוהה יכולה רק לחסוך כמות מוגבלת של תמונות ומחליפה את תחילת הווידאו כאשר סכום זה הוא חריג. יתר על כן, מקור אור חזק עבור התאורה של שדה הראייה של המצלמה במהירות הגבוהה נדרש. לקבלת אחידות תאורה גיליון נייר שרטוט טכני מודבק על הישבן של תא ואקום שמתפשט האור.

לבסוף, משאבת שבשבת סיבובית שני שלבים משמשת להקי ואקום של 0.1 mbar וכן אמצעי מד ואקום הוואקום כדי להבטיח תנאים סביבתיים קבועים.

עבור חרוזי זכוכית העבודה המוצגת כאן בקטרים ​​חלקיקים שונים (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 ו 4.000 מ"מ) משמשים. החרוזים עשויים סיד סודההזכוכית הם כדורית עם משטח די חלק.

Protocol

1. ניסויים עם חלקיקים גסים יותר או שווה ל 700 מיקרומטר הכנת ההתקנה הניסיונית הסר את השרוול והרם את המכסה העליון של תא הוואקום. מניחים את baseplate המורכב של חומר הקיר הרצוי בתא…

Representative Results

עבור חלקיקי זכוכית ניתוח בקוטר של 100 מיקרומטר ל -4.0 מ"מ נמצאו ממטוס בגובה ההתחלתי של 200 מ"מ על baseplate נירוסטה עם עובי של 20 מ"מ. איור 6 מציג את הערכים הממוצעים וכן מקסימלית ערכי מינימ?…

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…

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