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“灰尘”怎样“弹跳”？谜底藏在每秒4万帧的高速相机镜头里

宣布日期：2025/12/11 浏览次数：702

1、研究配景

颗粒与壁面碰撞动力学研究是能源、化工及质料科学领域的焦点课题，影响能源装备效率与可靠性，如流化床反应器设计。高速摄像机依附高时空区分率，成为实时捕获粒子碰撞轨迹、量化能量耗散行为不可或缺的可视化工具。

颗粒碰撞后的反弹行为由恢复系数COR表征，受粒子属性（粒径、杨氏模量）、壁面特征（质料刚度、外貌层结构）及碰撞速率配合调控。古板接触式传感器无法捕获微秒级瞬态历程，容易滋扰粒子运动轨迹。东南大学研究团队接纳千眼狼高速摄像机以40,000fps帧率非接触动态追踪50μm 级粒子碰撞全程。

2、实验设计

实验设计一套微粒碰撞动态捕获装置，由颗粒发射系统和速率丈量系统组成(图1)�？帕７⑸湎低逞∪【郾揭蚁≒S）与二氧化硅（SiO₂）颗粒（粒径50–100 μm）为典范颗粒，划分撞击钼（Mo）和特氟龙（Teflon）靶面。通过调理颗粒速率（0–30 m/s）、粒径及靶材属性，系统性研究COR的动态演变纪律。速率丈量系统使用位移平台将目的外貌和喷嘴准确地对齐在统一轴线上，调解高速摄像机焦距至喷嘴中点，通过调理喷嘴与目的之间距离，实现物理视场尺寸和像素区分率的优化，确保高速摄像性能准确捕获颗粒运动轨迹。

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(图1)

3、高速摄像机的手艺应用

1）追踪碰撞轨迹

高速摄像机以40,000fps帧率捕获碰撞视频序列，通太过析软件逐帧剖析。以50μm PS颗粒撞击Mo靶面为例（图2），系统可准确丈量颗粒入射角、反射角及速率分量，盘算法向恢复系数。数据批注，COR随碰撞速率泛起“粘附-过渡-稳固-塑性变形”四个阶段演化特征，高速摄像手艺为碰撞动力学区域划分提供直接证据。

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(图2)

2）剖析能量耗散机制

通过比照差别粒径（50μm与100μm PS颗粒）的碰撞历程，高速摄像机展现了弹性力学与阻尼力的主导作用差别。大颗粒因惯性效应显著延伸接触时间，其弹性恢复力增速快于黏性耗散，导致更高的COR值。这一发明为优化颗粒质料设计提供了主要依据。

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3）验证离散元模拟模子

针对靶面预置颗粒层的重大工况，接纳离散元法（DEM）模子验证群集模式立方体群集、六边形群集与层厚对COR的调控纪律，使用高速摄像机为DEM的验证提供主要的实验图像依据。实验效果批注，六边形群集结构因交替接触模式降低能量耗散效率，COR值较立方体群集结构低20%。

千眼狼高速摄像机在本次颗粒与壁面碰撞实验中提供了多标准的时空剖析能力，成为颗粒动力学研究的基准验证工具，40,000fps高帧率精准量化了COR动力学分区，通过剖析粒子速率-位移关系，为DEM模子验证提供序列图像数据，推动从微观参数到宏观征象的跨标准展望。