Ontwikkeling van een experimentele opstelling voor het meten van de Coëfficiënt van Restitutie onder vacuüm

Summary

De restitutiecoëfficiënt is een parameter die het verlies van kinetische energie tijdens beschrijft botsing. Hier wordt een vrije val setup onder vacuüm ontwikkeld kunnen de restitutiecoëfficiënt parameter bepalen deeltjes micrometer range met hoge impact snelheden.

Abstract

Discrete Element Method wordt gebruikt voor het simuleren van deeltjesvormige systemen beschrijven en analyseren, te voorspellen en vervolgens optimaliseren van hun gedrag enkele stappen van een werkwijze of zelfs een gehele proces. Voor de simulatie met voorkomende deeltje-deeltje en deeltje-wand contacten, wordt de waarde van de restitutiecoëfficiënt vereist. Kan experimenteel worden bepaald. De restitutiecoëfficiënt hangt af van verschillende parameters, zoals de botssnelheid. Speciaal voor fijne deeltjes de botssnelheid afhankelijk van de luchtdruk en onder atmosferische druk ingrijpende snelheden kan worden bereikt. Hiervoor is een nieuwe experimentele opstelling voor vrije val testen onder vacuüm ontwikkeld. De coëfficiënt van restitutie wordt bepaald met de impact en de rebound snelheid die worden gedetecteerd door een high-speed camera. Om niet belemmeren het uitzicht, wordt de vacuümkamer gemaakt van glas. Ook een nieuw vrijgeefmechanisme een deeltje onder vacuüm dalingvoorwaarden geconstrueerd. Door dat alle eigenschappen van het deeltje vooraf gekarakteriseerd.

Introduction

Poeders en granulaten zijn overal om ons heen. Een leven zonder hen is het onmogelijk in de moderne samenleving. Ze verschijnen in eten en drinken als granen of zelfs bloem, suiker, koffie en cacao. Ze zijn nodig voor de dagelijkse gebruikte objecten zoals de toner voor laser printer. Ook de plastic-industrie is niet denkbaar zonder hen, omdat plastic wordt vervoerd in korrelvorm voordat het wordt gesmolten en krijgt een nieuwe vorm. Na Ennis et al. ¹ ten minste 40% van de waarde van de index van de consumptieprijzen van de Verenigde Staten van Amerika toegevoegd door de chemische industrie (landbouw, voeding, geneesmiddelen, mineralen, munitie) is verbonden met deeltje technologie. Nedderman ² zelfs dat ongeveer 50% (gewicht) van de producten en ten minste 75% van de grondstoffen van vaste stoffen in de chemische industrie. Hij verklaarde ook dat er ontstaan ​​veel problemen met betrekking tot de opslag en het transport van korrelige materialen. Eén daarvan is dat tijdens het transport en handling vele botsingen plaatsvinden. Te analyseren, te beschrijven en het gedrag van een fijn systeem te voorspellen, kan Discrete Element Method (DEM) simulaties worden uitgevoerd. Voor deze simulaties kennis van de botsing gedrag van het deeltjessysteem noodzakelijk. De parameter die dit gedrag beschrijft in DEM simulaties is de coëfficiënt van restitutie (COR), die moet worden vastgesteld in experimenten heeft.

De COR is een getal dat het verlies van kinetische energie kenmerkend tijdens de botsing als door Seifried et al. ^3. Ze legde uit dat dit wordt veroorzaakt door plastische vervormingen, golfvoortplanting en visco-elastische verschijnselen. Thornton en Ning ⁴ vermeldde ook dat wat energie kan worden afgevoerd door het werk als gevolg van adhesie-interface. De COR afhankelijk botssnelheid, materiaalgedrag, deeltjesgrootte, vorm, ruwheid, vochtgehalte, hechtingseigenschappen en temperatuur zoals in Antonyuk et al. ^5. Voor een completely elastische effect alle geabsorbeerde energie wordt teruggegeven na de botsing zodat de relatieve snelheid tussen de contactpersonen gelijk voor en na de impact. Dit leidt tot een COR e = 1. In een perfect plastic effect de initiële kinetische energie wordt geabsorbeerd en de contactpersonen elkaar plakken die leidt tot een COR e = 0. Verder Güttler et al. ⁶ uitgelegd dat er twee soorten botsingen. Enerzijds is er de botsing tussen twee gebieden die ook bekend staat als het deeltje-deeltje contacten. Anderzijds is er de botsing tussen een bol en een plaat die ook deeltjes wandcontact genoemd. Met de gegevens voor de COR en ander materiaal eigenschappen zoals wrijvingscoëfficiënt, dichtheid, kan Poisson's ratio en afschuifmodulus DEM simulaties worden uitgevoerd om de post-botsingen snelheden en oriëntaties van de deeltjes, zoals uitgelegd door Bharadwaj et al. ⁷ te bepalen. zoals shown in Antonyuk et al. ^5, kan de COR worden berekend met de verhouding tussen de rebound snelheid te botssnelheid.

Derhalve een experimentele opstelling voor vrije val tests om het deeltje-wandcontact deeltjes met een diameter van 0,1 mm tot 4 mm onderzoeken werd geconstrueerd. Het voordeel van vrije val experimenten vergeleken met versnelde experimenten in Fu et al. ⁸ en Sommerfeld Huber ⁹ is een rotatie kan worden geëlimineerd. Derhalve kan de transfer van rotationele en translationele kinetische energie die de COR beïnvloedt worden vermeden. Asferische deeltjes moeten volgens Foerster et al. ¹⁰ of Lorenz et al worden gemerkt. ¹¹ rotatie rekening. Aangezien de COR is afhankelijk van de botssnelheid, botsingssnelheden in de experimenten met die in de echte transport en handling processen passen. In vrije val experimenten onder atmosferische druk, wordt de botssnelheid beperktde sleepkracht heeft een toenemende invloed van een afnemende deeltjesgrootte. Om dit bezwaar te ondervangen, de experimentele opstelling werken onder vacuüm. Een tweede uitdaging is slechts een deeltje teruggetrokken omdat dan is het mogelijk om alle eigenschappen die de COR vooraf beïnvloeden, bijvoorbeeld ruwheid en adhesie karakteriseren. Met deze kennis kan de COR worden bepaald volgens de eigenschappen van het deeltje. Hiervoor werd een nieuwe vrijgeefmechanisme ontwikkeld. Een ander probleem is de adhesieve krachten van poeders met een diameter lager dan 400 pm. Daarom is een droge omgevingstemperatuur omgeving noodzakelijk om hechting te overwinnen.

De experimentele opstelling bestaat uit verschillende delen. Een buitenkant van de bestaande experimentele opstelling is weergegeven in figuur 1. Ten eerste is er de vacuümkamer die is gemaakt van glas. Het bestaat uit een onderste deel (cilinder), een kap, een afdichtring en een huls om de verbindingdelen. Het onderste gedeelte heeft twee openingen voor een verbinding met de vacuümpomp en de vacuümmeter. De bovenklep heeft vier openingen. Twee daarvan zijn noodzakelijk voor de stokjes van de vrijgeefmechanisme hieronder beschreven en ook twee die kunnen worden gebruikt voor verdere verbetering van het experiment. Al deze openingen kunnen worden afgesloten met zegel ringen en schroefdoppen bij het werken onder vacuüm omstandigheden.

Bovendien werd een nieuw vrijgeefmechanisme ontwikkeld sinds het gebruik van een vacuüm mondstuk op vele andere experimenten gedocumenteerd in de literatuur (bijvoorbeeld Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al. ¹² en Wong et al. ¹³⁾ is niet mogelijk in een vacuümomgeving. Het mechanisme wordt gerealiseerd door een cilindrische kamer met een conische boring die gebonden is aan een plaat. Deze is verbonden met een stok die past in een van de afdichtringen van de bovenklep van de vacuümkamer en garandeert de aanpassing van een variable aanvankelijke hoogte voor de vrije val experimenten. Een schaal is getekend op de stick voor het meten van de hoogte. Het sluiten van het deeltje kamer wordt uitgevoerd door een kegelvormige punt van een pipet die weer is aangesloten op een stok. De nieuwe vrijgeefmechanisme is te zien in figuur 2 en werkt zoals hier beschreven in de begintoestand de pipetpunt wordt geduwd, zodat de omtrek van de tip raakt de rand van de kamer het boorgat. De kamer wordt afgesloten met de pipetpunt zodanig dat er geen ruimte voor een deeltje om de kamer te verlaten door de opening. Om het deeltje loslaat, wordt de stick omhoog getrokken langzaam tegen het topje aangesloten. De diameter van de punt kleiner ontstaat een spleet tussen de omtrek en de rand van het boorgat waardoor de deeltjes de kamer kan verlaten. Hoewel men zou verwachten dat een rotatie van het deeltje met de release mechanisme nieuw ontwikkelde als het deeltje kon 'roll' out of the chamber, wordt een ander gedrag in de experimenten. Figuur 3 toont de invloed van een asferisch deeltjes van 50 beelden voor 50 frames na de impact in stappen van 25 frames. Van de vorm van het deeltje geen rotatie is toegankelijk voor het effect (1-3), terwijl daarna het uiteraard spins (4-5). Daarom is de beweerde niet-draaiende release plaats met deze release mechanisme.

Een ander onderdeel van de experimentele opstelling is de basisplaat. In feite zijn er drie verschillende soorten grondplaten uit verschillende materialen. Een van roestvrij staal, een aluminium tweede en een derde van polyvinylchloride (PVC). Deze grondplaten vertegenwoordigen vaak gebruikte materialen in de procestechniek bijvoorbeeld in reactoren en buizen.

Om de impact en de rebound snelheden te bepalen, is een high-speed camera met 10,000 fps en een resolutie van 528 x 396 pixels gebruikt. Deze configuratie wordt gekozen als er altijdeen foto in de buurt van de impact en ook de resolutie is nog steeds bevredigend. De camera is aangesloten op een scherm dat de video's van het moment laat zien wanneer ze worden opgenomen. Dit is noodzakelijk, omdat de hoge snelheid camera slechts een beperkte hoeveelheid beelden kan opslaan en overschrijft het begin van de video wanneer dit bedrag wordt overschreden. Verder wordt een sterke lichtbron voor de verlichting van het gezichtsveld van de high-speed camera nodig. Voor verlichtingsuniformiteit een vel technische tekening papier gelijmd aan de achterzijde van de vacuümkamer die het licht verspreidt.

Tenslotte wordt een tweetraps schottenpomp gebruikt om een ​​vacuüm van 0,1 mbar en een vacuümmeter meet de vacuüm constante milieuomstandigheden zekergesteld.

Voor de hier gepresenteerde werk glazen kralen met verschillende deeltjesdiameters (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 en 4.000 mm) worden gebruikt. De kralen zijn gemaakt van soda limeglas en bolvormig met een vrij glad oppervlak.

Protocol

1. Experimenten met Deeltjes Korreliger of gelijk aan 700 urn Bereiding van de experimentele opstelling Verwijder de huls en til de bovenklep van de vacuümkamer. Plaats de basisplaat bestaande uit de gewenste wandmateriaal in de vacuümkamer. Draai het onderste gedeelte van de vacuümkamer zijwaarts schuift in de plaat met de hand. Plaats precies één van de deeltjes te onderzoeken met een pincet in het midden van de grondplaat. Daarna stel de hoogte van de camera met een statief zodanig …

Representative Results

Voor de analyse glasdeeltjes met een diameter van 100 urn tot 4,0 mm waren gedaald van een aanvankelijke hoogte van 200 mm op een roestvrij stalen basisplaat met een dikte van 20 mm. Figuur 6 toont de gemiddelde waarden en de maximum en minimum waarden van de COR afhankelijk van de deeltjesgrootte voor atmosferische druk en vacuüm. De gemiddelde waarde van de COR blijkt ongeveer e zijn = 0,9 voor dee…

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