- 學位論文
間隙流體對滾筒中鋼球顆粒流穩態行為之影響及相關影像處理之改進
Interstitial Liquid effects on the dynamic of granular mixture of Steel spheres and improvement of the relevant image processing techniques
摘要
本論文以系統性實驗探討滾筒中含間隙液體之顆粒流穩態運動行為。使用高速攝影機作運動觀測，所得的影像以圓形霍夫轉換(Circular Hough Transformation)作球體瞬時定位，配合最近鄰居法(the method of nearest neighbor)作顆粒在兩張照片中的配對，以達到粒子追蹤測速法(Particle Tracking Velocimetry, PTV)求得顆粒之瞬時速度。更進一步，藉由偵測流動表面之顆粒質心連線找出代表平滑自由面的直線方程式，以此直線斜率求出求出動態安息角"(β)" 。當間隙流體黏滯係數太大時，顆粒容易沾黏在滾筒壁上，使得此方法不再可行，針對此，本論文特別發展側向投影法來作等效的估計。 利用動態安息角定義一個貼齊顆粒流動方向的座標系，並進一步將顆粒瞬時速度透過空間平均以求出顆粒混合體之等效於連續體之平均速度(Bulk Velocity)及其在滾筒中央隨深度的變化。利用此資訊進一步求得流動層厚度(Flowing Layer Thickness,δ_0)及顆粒溫度(Granular Temperature)，並藉由差分法求得應變率(Shear Strain Rate,γ ̇_xy)。 此外，所得的平均速度更被整合於動量方程式之控制體積分析(Control Volume Analysis)中，在假設球面間動摩擦力和球與壁面間動摩擦力成線性關係的條件下，估計出滾筒中央區塊之流動層內顆粒所受底部剪應力(τ_yx)隨深度變化。 相對於本實驗室先前以POM球"(ρ=1.4g/" 〖"cm" 〗^"3" ")" 作為顆粒組成，本文特地增加顆粒密度與間隙液體密度比，改使用鋼球"(ρ=7.98g/" 〖"cm" 〗^"3" ")" 作為實驗顆粒以觀察固、液密度比可能對顆粒流運動行為之影響。 為處理鋼球表面鏡面反光在圓形霍夫轉換下造成的誤差，本論文利用有限元素法(Finite Element Method, FEM)三角網格之觀念，發展一套有效的修正矩陣以修正球心偵測誤差，並針對其使用參數作敏感度評估。 實驗結果發現對於鋼球而言，在同一滾筒轉速及間隙流體含量下，隨著流體黏滯係數上升，顆粒流之流動型態會由傳統文獻上常形容的滾動型態(Rolling Regime)轉為潤滑型態(Lubrication Regime)—其顆粒體呈現一個浮在滾筒中的剛體沒有明顯的相對速度，此流動形態的轉變未見於密度較輕的POM實驗中。其他動態特性將於相對應之結果章節作整理。
並列摘要
This thesis investigates how the interstitial viscous liquid may modify the steady solid-liquid granular flow behavior in a rotating drum via systematic experiments. The particle motions were monitored via a high-speed digital camera. The acquired images are processed by the circular Hough transformation to locate individual spheres in each image. The same particle is paired in two consecutive images by the method of the nearest neighbor to acchive particle tracking velocimetry (PTV) for the the instantaneous velocity of each particle. By threading the center of all the surface spheres, we could fit a line through the straight free surface and the line slope could be employed to estimate the dynamic repose angle,