博碩士論文 104323017 詳細資訊




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姓名 盧仁揚(Jen-Yang Lu)  查詢紙本館藏   畢業系所 機械工程學系
論文名稱 以物理實驗探討顆粒形狀 對顆粒體在振動床中傳輸性質的影響
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摘要(中) 本研究旨在探討非球形顆粒體在振動床中之流動行為,比較在相同振動條件下球形與非球形顆粒體在振動床中之流動行為,並探討顆粒形狀對顆粒體在振動床中流動行為與傳輸性質的影響,此外亦研究振動條件(無因次振動加速度與振動頻率)對顆粒體傳輸性質的影響。實驗採用的非球形顆粒體為橢球I形(顆粒長寬比為1.5),橢球II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),本研究採用改良式粒子追蹤法(Improved Particle Tracking Velocimetry)量測非球形顆粒體之平移及旋轉速度,進而計算相關的傳輸性質,包括平移速度向量,旋轉速度向量,粒子溫度,平移動能,旋轉動能,擴散位移及擾動速度分佈。在固定振動條件(振動頻率25Hz與無因次振動加速度為12.0及振動頻率20Hz與無因次振動加速度為8.0)下,藉由傳輸性質得知顆粒形狀互鎖效應(inter-locking effect)的排序依次為雙球形 > 膠囊形 > 橢球II形,由研究指出擴散係數可以作為衡量顆粒形狀互鎖效應的指標。在固定振動頻率下,顆粒體的速度向量,粒子溫度,動能及擴散位移皆隨著無因次振動加速度的增加而增加。在固定無因次振動加速度下,顆粒體的速度向量,粒子溫度,動能及擴散位移皆隨著振動頻率的減少而增加,以上兩者皆由於振動床所提供的能量增加所致,後者造成的變化較大,這是因為振幅與振動頻率的平方成反比,而與無因次振動加速度成正比。
摘要(英) The purpose of the study is to investigate the flow behaviour of spherical and non-spherical particles in vibrating beds, to compare the transport properties between them, and to explore the influence of particle shape on the flow behavior and transport properties. This study also shows the variations of flow behavior on vibrational conditions (dimensionless vibrational acceleration and vibrational frequency). The granular materials used in vibrating tests were ABS particles including spherical, ellipsoidal I (aspect ratio=1.5), ellipsoidal II (aspect ratio=2.0), capsule (aspect ratio=2.0) and paired particle (aspect ratio=2.0). The Improved Particle Tracking Velocimetry (PTV) was employed to measure the translational and rotational velocities of the non-spherical particles. The transport properties of the particles in a vibrated bed, including translational velocity vector, rotational velocity vector, granular temperatures, translational kinetic energy, rotational kinetic energy, self-diffusion coefficients and fluctuation velocity distributions were analyzed. The experimental results reveal that the degree of the inter-locking effect follows the sequence: paired particle > capsule particle > ellipsoidal II particle. It is pointed out that the diffusion coefficient can be used as an index to represent the inter-locking effect. In the same vibrational frequency, the velocity vector, granular temperatures, translational kinetic energy, rotational kinetic energy and self-diffusion coefficients of the particles increase with dimensionless vibrational acceleration. In the same dimensionless vibrational acceleration, the corresponding transport properties increase with the decrease of the vibrational frequency. Both are attributed to the increasing amplitude, providing more energy for granular assembly especially for the latter. This is that the amplitude is inversely proportional to the square of the vibrational frequency, and is linearly proportional to the dimensionless vibrational acceleration.
關鍵字(中) ★ 非球形顆粒體
★ 振動床實驗
★ 改良式粒子追蹤法
★ 互鎖效應
★ 傳輸性質
關鍵字(英) ★ Non-spherical particle
★ Vibrated bed
★ Improved Particle Tracking Velocimetry
★ Inter-locking effect
★ Transport property
論文目次 目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
附表目錄 iv
附圖目錄 v
第一章 緒論 1
1-1顆粒體在振動床中的流動行為 1
1-2文獻回顧 1
1-3研究動機與目的 7
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 改良式粒子追蹤影像處理技術 11
2.2.2 影像分析流程 13
2.3 實驗步驟 14
2.4 傳輸性質 15
第三章 結果與討論 18
3.1 探討顆粒形狀對顆粒體在振動床中流動行為的影響 18
3.2 振動加速度對非球形顆粒體在振動床中流動行為的影響 20
3.3振動頻率對非球形顆粒體在振動床中流動行為的影響 23
第四章 結論 28
第五章 參考文獻 29


附表目錄
表3.1 五種顆粒形狀之擴散係數與擴散轉角 31
表3.2 五種顆粒形狀之擴散係數與擴散轉角 31
































附圖目錄
圖1.1 正向迴流現象[8]。 32
圖2.1 實驗設備: (a) 振動床示意圖[8]; (b) 高速攝影機。 33
圖2.2 五種形狀顆粒尺寸圖(單位:mm) : (a) spherical; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) capsule; (e) paired。 34
圖2.3 時間t1與t2之圖像[8]。 35
圖2.4 雙立方內插法[8]。 35
圖3.1 在振動頻率f=25Hz及無因次振動加速度Γ=12.0下,三種形狀顆粒體之平移速度向量圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal II; (c) paired。 36
圖3.2 在振動頻率f=25Hz及無因次振動加速度Γ=12.0下,三種形狀顆粒體之旋轉速度向量圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal II; (c) paired。 37
圖3.3 在振動頻率f=25Hz及無因次振動加速度Γ=12.0下,三種形狀顆粒體之平移粒子溫度圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal II; (c) paired。 38
圖3.4 在振動頻率f=25Hz及無因次振動加速度Γ=12.0下,三種形狀顆粒體擴散行為與時間之關係圖: (a) ΔSxΔSx; (b) ΔSxΔSy; (c) ΔSyΔSy; (d) ΔSθΔSθ。 39
圖3.5 在振動頻率f=25Hz及無因次振動加速度Γ=12.0下,三種形狀顆粒體之平移動能及旋轉動能與時間之關係圖: (a) 平移動能; (b) 旋轉動能。 40
圖3.6 在振動頻率f=25Hz及無因次振動加速度Γ=12.0下,三種形狀顆粒體之擾動速度分佈圖: (a) 水平方向; (b) 垂直方向; (c) 旋轉方向。 41
圖3.7 膠囊形顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之平移與旋轉速度向量圖: (a) Γ=6.0; (b) Γ=8.0; (c) Γ=10.0。 42
圖3.8 橢球I形顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之平移與旋轉速度向量圖: (a) Γ=6.0; (b) Γ=8.0; (c) Γ=10.0。 43
圖3.9 橢球II形顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之平移與旋轉速度向量圖: (a) Γ=6.0; (b) Γ=8.0; (c) Γ=10.0。 44
圖3.10 雙球形顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之平移與旋轉速度向量圖: (a) Γ=6.0; (b) Γ=8.0; (c) Γ=10.0。 45
圖3.11 球形顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之平移速度向量圖: (a) Γ=6.0; (b) Γ=8.0; (c) Γ=10.0。 46
圖3.12五種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之X方向擴散位移ΔSxΔSx與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 47
圖3.13 五種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之XY方向擴散位移ΔSxΔSy與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 48
圖3.14 五種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之Y方向擴散位移ΔSyΔSy與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 49
圖3.15 四種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之旋轉方向擴散轉角ΔSθΔSθ與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired。 50
圖3.16 五種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之平移動能與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 51
圖3.17 四種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之旋轉動能與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired。 52
圖3.18 五種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之水平方向擾動速度分佈圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 53
圖3.19 五種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之垂直方向擾動速度分佈圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 54
圖3.20 四種形狀顆粒體在振動頻率f=25Hz下,三種無因次振動加速度之旋轉方向擾動速度分佈圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired。 55
圖3.21 膠囊形顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之平移與旋轉速度向量圖: (a) f=20Hz; (b) f=30Hz; (c) f=40Hz。 56
圖3.22 橢球I形顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之平移與旋轉速度向量圖: (a) f=20Hz; (b) f=30Hz; (c) f=40Hz。 57
圖3.23 橢球II形顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之平移與旋轉速度向量圖: (a) f=20Hz; (b) f=30Hz; (c) f=40Hz。 58
圖3.24 雙球形顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之平移與旋轉速度向量圖: (a) f=20Hz; (b) f=30Hz; (c) f=40Hz。 59
圖3.25 球形顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之平移速度向量圖: (a) f=20Hz; (b) f=30Hz; (c) f=40Hz。 60
圖3.26 五種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之X方向擴散位移ΔSxΔSx與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 61
圖3.27 五種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之XY方向擴散位移ΔSxΔSy與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 62
圖3.28 五種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之Y方向擴散位移ΔSyΔSy與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 63
圖3.29 四種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之旋轉方向擴散轉角ΔSθΔSθ與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired。 64
圖3.31 四種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之旋轉動能與時間之關係圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired。 66
圖3.32 五種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之水平方向擾動速度分佈圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 67
圖3.33 五種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之垂直方向擾動速度分佈圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired; (e) spherical。 68
圖3.34 四種形狀顆粒體在無因次振動加速度Γ=8.0下,三種振動頻率之旋轉方向擾動速度分佈圖: (a) capsule; (b) ellipsoidal I; (c) ellipsoidal II; (d) paired。 69
圖3.35 在振動頻率f=20Hz及無因次振動加速度Γ=8.0下,三種形狀顆粒體擴散行為與時間之關係圖: (a) ΔSxΔSx; (b) ΔSxΔSy; (c) ΔSyΔSy; (d) ΔSθΔSθ。 70
圖3.36 在振動頻率f=20Hz及無因次振動加速度Γ=8.0下,三種形狀顆粒體之平移動能及旋轉動能與時間之關係圖: (a) 平移動能; (b) 旋轉動能。 71
圖3.37 在振動頻率f=20Hz及無因次振動加速度Γ=8.0下,三種形狀顆粒體之擾動速度分佈圖: (a) 水平方向; (b) 垂直方向; (c) 旋轉方向。 72
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指導教授 鍾雲吉(Yun-Chi Chung) 審核日期 2017-10-11
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