Utveckling av en experimentuppställning för mätning av Coefficient of Restitution under vakuumbetingelser

Summary

Koefficienten restitution är en parameter som beskriver förlusten av kinetisk energi under kollisionen. Här är en fritt fall installation under vakuumförhållanden utvecklats för att kunna bestämma friktionskoefficienten restitution parameter för partiklar i mikrometerområdet med höga anslagshastigheter.

Abstract

Discrete elementmetoden används för simulering av partikelsystem för att beskriva och analysera dem, för att förutsäga och därefter optimera sitt beteende för enskilda steg i en process eller ens en hel process. För simuleringen med förekommande partikel-partikel och partikelväggkontakter krävs värdet av koefficienten restitution. Det kan bestämmas experimentellt. Koefficienten restitution beror på flera parametrar såsom anslagshastighet. Särskilt för fina partiklar islagshastigheten beror på lufttrycket och under atmosfärstryck med hög anslagshastigheter inte kan nås. För detta är en ny experimentuppställning för fritt fall tester under vakuum utvecklas. Koefficienten restitution bestäms med effekterna och rebound hastighet som detekteras av en höghastighetskamera. Inte förhindrar en vy, är vakuumkammaren gjord av glas. Också en ny utlösningsmekanism för att släppa en enda partikel under vakuumbetingelser är konstruerad. På grund av detta kan alla egenskaper hos partikeln karakteriseras i förväg.

Introduction

Pulver och granulat finns överallt omkring oss. Ett liv utan dem är omöjligt i det moderna samhället. De visas i mat och dryck som korn eller ens mjöl, socker, kaffe och kakao. De behövs för dagliga använda objekt såsom toner för laserskrivare. Även plastindustrin är inte tänkbart utan dem, eftersom plasten transporteras i granulär form innan det smälts och ges en ny form. Efter Ennis et ^en åtminstone 40 al.% Av förädlingsvärdet till konsumentprisindex för USA i den kemiska industrin (jordbruk, livsmedel, läkemedel, mineraler, ammunition) är ansluten till partikelteknik. Nedderman ² även anges att cirka 50% (vikt) av de produkter och minst 75% av råvarorna är granulära fasta ämnen i den kemiska industrin. Han förklarade också att det förekommer många problem när det gäller lagring och transport av matvaror. En av dessa är att under transport och hanteringsng många kollisioner sker. Att analysera, beskriva och förutsäga beteendet hos en partikelsystemet, kan Discrete Element Metoden (DEM) simuleringar ska utföras. För dessa simuleringar kännedom om kollisionen beteendet hos partikelsystemet är nödvändig. Den parameter som beskriver detta beteende i DEM simuleringar är koefficienten restitution (COR) som måste bestämmas i experiment.

Regionkommittén är ett tal som kännetecknar förlusten av kinetisk energi under påverkan som beskrivs av Seifried et al. ^3. De förklarade att detta beror på plastiska deformationer, vågutbredning och viskoelastiska fenomen. Thornton och Ning ⁴ nämnde också att en del energi kan avledas genom arbete på grund av gränssnitt vidhäftning. Regionkommittén är beroende av anslagshastighet, materialegenskaper, partikelstorlek, form, strävhet, fukthalt, vidhäftningsegenskaper och temperatur som anges i Antonyuk et al. ^5. För en Completely elastisk inverkan alla absorberade energin tillbaka efter kollisionen så att den relativa hastigheten mellan kontaktpartner är lika före och efter effekten. Detta leder till en COR e = 1. Under en perfekt plast inverkan all den initiala kinetiska energin absorberas och kontaktpartner hålla ihop, vilket leder till en COR e = 0. Dessutom et al. Güttler ⁶ förklarade att det finns två typer av kollisioner. Å ena sidan finns det kollisionen mellan två sfärer som också är känd som en kontakt partikel-partikel. Å andra sidan, finns det en kollision mellan en sfär och en platta som också kallas partikel-väggkontakt. Med uppgifterna för Regionkommittén och andra materialegenskaper som friktionskoefficient, täthet, kan Poissons tal och skjuvmodul DEM simuleringar utföras för att bestämma efterkollisionshastigheter och orienteringarna av partiklarna som förklaras av Bharadwaj et al. ^7. som shown i Antonyuk et al. ^5, kan den COR beräknas med förhållandet rebound hastighet för att påverka hastigheten.

Därför en experimentuppställning för fritt fall tester för att undersöka partikelväggkontakt av partiklar med en diameter från 0,1 mm till 4 mm konstruerades. Fördelen med fritt fall experiment jämfört med accelererade experiment som i et al. Fu ⁸ och Sommerfeld och Huber ⁹ är att rotation kan elimineras. Följaktligen kan överföringen mellan rotations- och translationsrörelseenergi som påverkar COR undvikas. Asfäriska partiklar måste märkas som i Foerster et al. ¹⁰ eller Lorenz et al. ¹¹ att ta rotation hänsyn. Eftersom Regionkommittén är beroende av anslagshastighet, slaghastigheterna i försöken måste matcha de i verkliga transport- och hanteringsprocesser. I fritt fall experiment under atmosfärstryck, är islagshastigheten begränsadav dragkraften, som har ett allt större inflytande för en minskande partikelstorlek. För att övervinna denna nackdel, fungerar den experimentuppställning under vakuumförhållanden. En andra utmaning är att släppa bara en enda partikel, eftersom då är det möjligt att karakterisera alla egenskaper som påverkar COR förväg, till exempel ytråhet och vidhäftning. Med denna kunskap, kan det COR bestämmas i enlighet med egenskaperna hos partikeln. För detta har en ny utlösningsmekanism utvecklas. En annan fråga är de adhesiva krafter pulver med en diameter underlägsen 400 | j, m. Därför är det nödvändigt med en torr och omgivande temperatur miljö för att övervinna vidhäftning.

Den experimentella uppställningen består av flera delar. En exteriör vy av den befintliga experimentuppställning visas i figur 1. För det första finns det i vakuumkammaren som är gjord av glas. Den består av en nedre del (cylinder), att ett övre lock, en tätningsring och en hylsa anslutdelar. Den nedre delen har två öppningar för en förbindelse med vakuumpumpen och vakuummätaren. Den övre luckan har fyra öppningar. Två av dem är nödvändiga för de pinnar av frigöringsmekanism som beskrivs nedan och även två som kan användas för ytterligare förbättringar av experimentet. Alla dessa öppningar kan stängas med tätningsringar och skruvlock när man arbetar under vakuumbetingelser.

Dessutom har en ny utlösningsmekanism utvecklats eftersom användningen av en vakuummunstycke som i många andra experiment dokumenterade i litteraturen (till exempel Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al. ¹² eller Wong et al. ¹³⁾ är inte möjligt i ett vakuum. Mekanismen är realiserad genom en cylindrisk kammare med en konisk borrhål som är bundet vid en platta. Detta är förbundet med en pinne som passar i en av tätningsringarna av det övre locket av vakuumkammaren och garanterar en anpassning av en variable inledande höjd för fritt fall experiment. En skala ritas på minnet för mätning av höjd. Stängningen av partikelkammaren genomförs av en konisk spets av en pipett som återigen är ansluten till en pinne. Stängningsanordningen nytt kan ses i fig 2 och arbetar såsom beskrivet här: i initialtillståndet pipettspetsen trycks ned så att omkretsen av spetsen vidrör kanten av kammarens borrhålet. Kammaren är tillsluten med pipettspetsen, så att det inte finns något utrymme för en partikel att lämna kammaren genom hålet. För att frigöra partikeln, är pinnen dras uppåt mycket långsamt tillsammans med spetsen ansluten till den. Som diametern hos spetsen blir mindre en spalt mellan dess omkrets och kanten av borrhålet uppstår genom vilken partikeln kan lämna kammaren. Även om man kan förvänta sig en rotation av partikeln med utlösningsmekanismen nyutvecklade som partikeln kan "rulla" ut ur chamber visas ett annat beteende i försöken. Figur 3 visar effekten av en asfärisk partikel från 50 bildrutor före till 50 bildrutor efter effekten i steg om 25 ramar. Från formen på partikeln ingen rotation är synlig före nedslaget (1-3), medan det senare uppenbarligen snurrar (4-5). Därför hävdade icke-roterande frisättning sker med denna utlösningsmekanism.

En annan komponent av experimentuppställning är bottenplattan. I själva verket finns det tre olika typer av basplattor som består av olika material. En är gjord av rostfritt stål, en andra av aluminium och en tredjedel av polyvinylklorid (PVC). Dessa bottenplattor utgör ofta använda material i processteknik till exempel i reaktorer och rör.

Att bedöma effekten och rebound hastigheter, är en höghastighetskamera med 10.000 fps och en upplösning på 528 x 396 bildpunkter som används. Denna konfiguration väljs som det finns alltiden bild nära effekterna och även upplösningen är fortfarande tillfredsställande. Kameran är ansluten till en skärm som visar filmer i det ögonblick då de registreras. Detta är nödvändigt, eftersom höghastighetskamera kan bara spara en begränsad mängd bilder och skriver i början av videon när detta belopp överskrids. Dessutom är en stark ljuskälla för belysning av synfältet av höghastighetskamera krävs. För belysning enhetlighet ett ark av tekniskt ritpapper limmas på baksidan av vakuumkammare som sprider ljuset.

Slutligen är en två-stegs roterande vingpumpen används för att etablera ett vakuum av 0,1 mbar och en vakuummätare mäter vakuum för att garantera konstanta miljöförhållanden.

För här presenterade arbetet glaspärlor med olika partikeldiametrar (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3,680 och 4,000 mm) används. Pärlorna är gjorda av sodakalkglas och är sfäriska med en ganska jämn yta.

Protocol

1. Experiment med partiklar Grövre eller lika med 700 um Framställning av experimentuppställning Ta hylsan och lyft locket av vakuumkammaren. Placera basplattan som består av den önskade väggmaterialet i vakuumkammaren. Vända den nedre delen av vakuumkammaren i sidled för att glida i plattan noggrant av händer. Plats exakt en av de partiklar som skall undersökas med pincett i mitten av bottenplattan. Efteråt justera höjden på kameran med ett stativ på ett sådant sätt att bot…

Representative Results

För analys glaspartiklar med en diameter på 100 | am till 4,0 mm tappades från en initial höjd på 200 mm på ett rostfritt stål basplatta med en tjocklek på 20 mm. Figur 6 visar medelvärden samt maximala och minimivärden för Kommittén beroende på partikelstorleken för atmosfärstryck och vakuum. Medelvärdet av COR befinns vara ungefär e = 0,9 för partiklar större än eller lika med 70…

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