“塵埃”如何“彈跳”？答案藏在每秒4萬(wàn)幀的高速相機(jī)鏡頭里

   1、研究背景

   顆粒與壁面碰撞動(dòng)力學(xué)研究是能源、化工及材料科學(xué)領(lǐng)域的核心課題，影響能源設(shè)備效率與可靠性，如流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)。高速攝像機(jī)憑借高時(shí)空分辨率，成為實(shí)時(shí)捕捉粒子碰撞軌跡、量化能量耗散行為不可或缺的可視化工具。

   顆粒碰撞后的反彈行為由恢復(fù)系數(shù)COR表征，受粒子屬性（粒徑、楊氏模量）、壁面特性（材料剛度、表面層結(jié)構(gòu)）及碰撞速度共同調(diào)控。傳統(tǒng)接觸式傳感器無(wú)法捕捉微秒級(jí)瞬態(tài)過(guò)程，容易干擾粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用千眼狼高速攝像機(jī)以40,000fps幀率非接觸動(dòng)態(tài)追蹤50μm 級(jí)粒子碰撞全程。

   2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

   實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一套微粒碰撞動(dòng)態(tài)捕捉裝置，由顆粒發(fā)射系統(tǒng)和速度測(cè)量系統(tǒng)組成(圖1)。顆粒發(fā)射系統(tǒng)選取聚苯乙烯（PS）與二氧化硅（SiO₂）顆粒（粒徑50–100 μm）為典型顆粒，分別撞擊鉬（Mo）和特氟龍（Teflon）靶面。通過(guò)調(diào)節(jié)顆粒速度（0–30 m/s）、粒徑及靶材屬性，系統(tǒng)性研究COR的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。速度測(cè)量系統(tǒng)利用位移平臺(tái)將目標(biāo)表面和噴嘴精確地對(duì)齊在同一軸線上，調(diào)整高速攝像機(jī)焦距至噴嘴中點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴與目標(biāo)之間距離，實(shí)現(xiàn)物理視場(chǎng)尺寸和像素分辨率的優(yōu)化，確保高速攝像機(jī)能準(zhǔn)確捕捉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。

(圖1)

   3、高速攝像機(jī)的技術(shù)應(yīng)用

   1）追蹤碰撞軌跡

   高速攝像機(jī)以40,000fps幀率捕捉碰撞視頻序列，通過(guò)分析軟件逐幀分析。以50μm PS顆粒撞擊Mo靶面為例（圖2），系統(tǒng)可精確測(cè)量顆粒入射角、反射角及速度分量，計(jì)算法向恢復(fù)系數(shù)。數(shù)據(jù)表明，COR隨碰撞速度呈現(xiàn)“粘附-過(guò)渡-穩(wěn)定-塑性變形”四個(gè)階段演化特征，高速攝像技術(shù)為碰撞動(dòng)力學(xué)區(qū)域劃分提供直接證據(jù)。

(圖2)

   2）解析能量耗散機(jī)制

   通過(guò)對(duì)比不同粒徑（50μm與100μm PS顆粒）的碰撞過(guò)程，高速攝像機(jī)揭示了彈性力學(xué)與阻尼力的主導(dǎo)作用差異。大顆粒因慣性效應(yīng)顯著延長(zhǎng)接觸時(shí)間，其彈性恢復(fù)力增速快于黏性耗散，導(dǎo)致更高的COR值。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化顆粒材料設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

   3）驗(yàn)證離散元模擬模型

   針對(duì)靶面預(yù)置顆粒層的復(fù)雜工況，采用離散元法（DEM）模型驗(yàn)證堆積模式立方體堆積、六邊形堆積與層厚對(duì)COR的調(diào)控規(guī)律，利用高速攝像機(jī)為DEM的驗(yàn)證提供重要的實(shí)驗(yàn)圖像依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，六邊形堆積結(jié)構(gòu)因交替接觸模式降低能量耗散效率，COR值較立方體堆積結(jié)構(gòu)低20%。

   千眼狼高速攝像機(jī)在本次顆粒與壁面碰撞實(shí)驗(yàn)中提供了多尺度的時(shí)空解析能力，成為顆粒動(dòng)力學(xué)研究的基準(zhǔn)驗(yàn)證工具，40,000fps高幀率精準(zhǔn)量化了COR動(dòng)力學(xué)分區(qū)，通過(guò)解析粒子速度-位移關(guān)系，為DEM模型驗(yàn)證提供序列圖像數(shù)據(jù)，推動(dòng)從微觀參數(shù)到宏觀現(xiàn)象的跨尺度預(yù)測(cè)。