非球形顆粒體在剪力槽中的流動行為追蹤與分析

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謝仲庭(Jhong-Ting Hsieh) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

非球形顆粒體在剪力槽中的流動行為追蹤與分析

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摘要(中)

本研究旨在探討非球形顆粒體在剪力槽中之流動行為，比較在不同外邊壁轉速下非球形顆粒體在剪力槽中之流動行為，並探討顆粒形狀對顆粒體在剪力槽中傳輸性質的影響，此外亦研究不同外邊壁轉速對顆粒體傳輸性質的影響。實驗採用的非球形顆粒體為短橢球形(顆粒長寬比為1.5)，長橢球形(顆粒長寬比為2.0)，膠囊形(顆粒長寬比為2.0)，及雙球形(顆粒長寬比為2.0)，採用卡氏粒子追蹤法量測顆粒體之平移速度，和改良式粒子追蹤法(Improved Particle Tracking Velocimetry)量測顆粒體之旋轉速度，進而計算相關的傳輸性質，包括切向速度，徑向速度、切向擾動速度，徑向擾動速度、旋轉擾動速度。
在相同形狀顆粒體下比較五個轉速的速度曲線，曲線呈指數函數型態分佈，值得注意的是，雙球形就算在外邊壁低轉速時也能有很深的流動層厚度。不管在任何外壁轉速下，顆粒體在最外層的平均流速排序皆為球形> 雙球形> 膠囊形> 短橢球形> 長橢球形。綜合五個轉速觀察切向和徑向擾動速度分佈圖，發現同時比較偏移和平緩程度的排序皆為，膠囊形> 雙球形> 球形> 短橢球形> 長橢球形。

摘要(英)

The purpose of the study is to investigate the flow behaviour of spherical and non-spherical particles in an annular shear cell, to compare the transport properties between them, and to explore the influence of particle shape on the flow behavior. This study also studies the granular flow behavior on the different rotational speeds of the outer wall. The granular materials used in the shear cell were ABS particles including spherical, ellipsoidal S (aspect ratio=1.5), ellipsoidal L (aspect ratio=2.0), capsule (aspect ratio=2.0) and paired particle (aspect ratio=2.0). The Voronoï imaging methods was employed to measure the translational velocities of the particles, and the Improved Particle Tracking Velocimetry (PTV) was employed to measure the rotational velocities of the particles. The transport properties of the particles in the shear cell, including the tangential velocity profile, the radial velocity profile, the fluctuation velocity distributions and the shear rate were analyzed.
The tangential velocity profile decays roughly exponentially from outer wall. Although the paired particle were sheared by a low rotating speed of outer boundary, the flowing layer of the paired particle could extend thicker in the shear cell system. The magnitude of tangential velocity follows the sequence: spherical> paired> capsule> ellipsoidal S> ellipsoidal L. In the fluctuation distributions for the tangential and radial velocities, the flat degree follows the sequence: capsule> paired > spherical > ellipsoidal S > ellipsoidal L.

關鍵字(中)

★ 非球形顆粒體
★ 剪力槽實驗
★ 卡式粒子追蹤法
★ 改良式粒子追蹤法
★ 傳輸性質

關鍵字(英)

★ Non-spherical particle
★ Couette flow device
★ The Voronoï imaging methods
★ Improved Particle Tracking Velocimetry
★ Transport property

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
第一章緒論 1
1-1文獻回顧 1
1-2研究動機與目的 8
第二章實驗設備、量測技術與實驗步驟 9
2.1 實驗設備 9
2.2 量測技術 11
2.2.1卡氏粒子追蹤影像處理 11
2.2.2 改良式粒子追蹤影像處理技術 13
2.2.3 影像分析流程 14
2.3 實驗步驟 15
2.4 傳輸性質 16
第三章結果與討論 18
3.1 五種外邊壁轉速對同種顆粒體的影響 18
速度分佈圖 18
擾動速度分佈圖 21
3.2 五種形狀顆粒體的流動行為比較 23
速度分佈圖 23
擾動速度分佈圖 24
平移粒子溫度圖 25
第四章結論 26
參考文獻 27
圖2.1 實驗設備剪力槽裝置: (a)上視圖; (b)側視圖; (c)實際裝置上視圖; (d)實際裝置立體圖; (e)3D模組圖。 31
圖2.2 實驗設備外邊壁皮帶規格 32
圖2.3 五種形狀顆粒尺寸圖(單位:mm) [22] : (a) spherical; (b) ellipsoidal S ; (c) ellipsoidal L; (d) capsule; (e) paired。 32
圖2.4 卡氏粒子追蹤法 (a)抓點後影像; (b)經Voronoi處理後的影像; (c)前後兩張進行匹配後的影像 33
圖2.5 (c)前後兩張影像中的星狀結構與其中各點; (d)扣除最短距離後，兩星狀結構末端間的距離[21]。 34
圖2.6 改良式粒子追蹤法 (a)切割後的原始影像; (b)處理後的影像 35
圖2.7 時間t1與t2之圖像[23]。 36
圖3.1 (a)顆粒流示意圖; (b)剪力槽系統座標軸定義示意圖 37
圖3.2 球形顆粒體在五個外邊壁轉速下 (a)切向速度分佈圖; (b)切向剪率分佈圖; (c)徑向速度分佈圖。 38
圖3.3 膠囊形顆粒體在五個外邊壁轉速下 (a)切向速度分佈圖; (b)切向剪率分佈圖; (c)徑向速度分佈圖。 39
圖3.4 短橢球形顆粒體在五個外邊壁轉速下 (a)切向速度分佈圖; (b)切向剪率分佈圖; (c)徑向速度分佈圖。 40
圖3.5 長橢球形顆粒體在五個外邊壁轉速下 (a)切向速度分佈圖; (b)切向剪率分佈圖; (c)徑向速度分佈圖。 41
圖3.6 雙球形顆粒體在五個外邊壁轉速下 (a)切向速度分佈圖; (b)切向剪率分佈圖; (c)徑向速度分佈圖。 42
圖3.7 球形顆粒體在五個外邊壁轉速下的 (a)切向擾動速度分佈圖; (b)徑向擾動速度分佈圖。 43
圖3.8 膠囊形顆粒體在五個外邊壁轉速下的 (a)切向擾動速度分佈圖; (b)徑向擾動速度分佈圖。 44
圖3.9 短橢球形顆粒體在五個外邊壁轉速下的 (a)切向擾動速度分佈圖; (b)徑向擾動速度分佈圖。 45
圖3.10 長橢球形顆粒體在五個外邊壁轉速下的 (a)切向擾動速度分佈圖; (b)徑向擾動速度分佈圖。 46
圖3.11 雙球形顆粒體在五個外邊壁轉速下的 (a)切向擾動速度分佈圖; (b)徑向擾動速度分佈圖。 47
圖3.12 膠囊形顆粒體在五個轉速下之旋轉擾動速度分佈圖。 48
圖3.13 短橢球形顆粒體在五個轉速下之旋轉擾動速度分佈圖。 48
圖3.14 長橢球形顆粒體在五個轉速下之旋轉擾動速度分佈圖。 49
圖3.15 雙球形顆粒體在五個轉速下之旋轉擾動速度分佈圖。 49
圖3.16 五種顆粒體的切向速度分佈圖，在外邊壁轉速為:(a) 40rpm ; (b) 50rpm;(c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 51
圖3.17 五種顆粒體的剪率分佈圖，在外邊壁轉速為: (a) 40rpm ; (b) 50rpm; (c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 53
圖3.18 五種顆粒體的徑向速度分佈圖，在外邊壁轉速為: (a) 40rpm; (b) 50rpm; (c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 55
圖3.19 五種顆粒體的切向擾動速度分佈圖，在外邊壁轉速為: (a) 40rpm ; (b) 50rpm; (c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 57
圖3.20 五種顆粒體的徑向擾動速度分佈圖，在外邊壁轉速為: (a) 40rpm ; (b) 50rpm; (c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 59
圖3.21 四種形狀顆粒體的旋轉擾動速度分佈圖，在外邊壁轉速為: (a) 40rpm ; (b) 50rpm; (c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 61
圖3.22 五種形狀顆粒體的平移粒子溫度圖，在外邊壁轉速為: (a) 40rpm ; (b) 50rpm; (c) 60rpm; (d) 70rpm; (e) 80rpm。 63

參考文獻

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指導教授

鍾雲吉

審核日期

2018-11-2

推文