一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法及系统，属于颗粒物性参数测量领域。本发明专利技术包括以下步骤：(1)使微米颗粒与水平板碰撞，形成连续抛物线、且抛物线峰值高度逐渐降低的运动；(2)测量运动的轨迹，至少记录各抛物线的横向距离以及抛物线峰值高度；(3)根据步骤(2)计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，以切向与法向的冲量比等效为滑动摩擦系数，从而获得滑动摩擦系数。本发明专利技术实现了微米颗粒滑动摩擦系数的精确测量，有利于提高微米尺度颗粒流和气粒两相流动特性的仿真计算精度，有利于开展颗粒流和气粒两相流相关领域的结构设计，对目前广泛应用的微米颗粒流和微米颗粒气粒两相流的发展起推动作用。

【技术实现步骤摘要】
一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法及系统
本专利技术涉及一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法及系统，属于颗粒物性参数测量领域。
技术介绍
颗粒流和气粒两相流方法理论和数值仿真研究常用于航空航天、化工、制药、电子、农业、气象和医学等各个领域，如沙尘、灰尘等微粒在航空发动机关键部件内的输送和沉积、沙漠中沙尘的迁徙与堆积、流化床干燥过程等，在开展相关理论和仿真计算过程中往往涉及颗粒的碰撞和接触过程，颗粒-壁面、颗粒-颗粒之间的碰撞特性决定了颗粒在输送、流动过程中的动力学特性，其中颗粒在碰撞中的滑动和滚动摩擦，直接影响颗粒流和气粒两相流动特性预测和仿真计算的精度。因此，颗粒材料滚动和滑动摩擦系数的测量，是开展颗粒流和气粒两相流研究的基础。宏观颗粒或材料的滑动摩擦系数和滚动摩擦系数的测量已经有了一些方法，但对于微米尺度颗粒的滑动摩擦系数和滚动摩擦系数的测量极其困难，而且碰撞过程中摩擦系数受颗粒尺寸特性、壁面粗糙度、表面粘附力、碰撞角度等因素的影响，目前尚未有专门的测量方法或测量装置实现微米颗粒滑动摩擦系数的精确测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法及系统，用于解决无法实现微米颗粒滑动摩擦系数精确测量的问题。为实现上述目的，本专利技术提出了一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法及系统，一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法，包括以下步骤：(1)使微米颗粒与水平板碰撞，形成连续抛物线、且抛物线峰值高度逐渐降低的运动；(2)测量运动的轨迹，至少记录各抛物线的横向距离以及抛物线峰值高度；(3)根据步骤(2)计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，以切向与法向的冲量比等效为滑动摩擦系数，从而获得滑动摩擦系数。本专利技术通过一种实验的手段进行测量，实验仅需要微米颗粒进行特定运动，就实现了微米颗粒滑动摩擦系数的精确测量，有利于提高微米尺度颗粒流和气粒两相流动特性的仿真计算精度，有利于开展颗粒流和气粒两相流相关领域的结构设计，对目前广泛应用的微米颗粒流和微米颗粒气粒两相流的发展起推动作用，测量简单，容易实现，且测量结果准确。进一步的，通过各碰撞点的法向恢复系数与切向恢复系数计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，计算公式为：其中，fk为切向与法向的冲量比，enk为法向恢复系数，etk为切向恢复系数，θ为入射方向与竖直方向夹角，可由入射法向速度与切向速度表示；其中，k为碰撞次数，l为抛物线的横向距离，h为抛物线峰值高度。碰撞点的法向恢复系数与碰撞点的法向速度相关，碰撞点的切向恢复系数与碰撞点的切向速度相关，其法向速度与切向速度可以根据抛物线两端的横向距离以及抛物线峰值高度得出，因此，得到切向与法向的冲量比简便，准确。进一步的，微米颗粒运动的环境为真空环境或者高真空环境。颗粒较小，运动过程中受到的空气阻力和气动力比较大，采用真空环境或者高真空环境，避免空气阻力和气动力对微米颗粒的影响，测量结果更加准确。进一步的，微米颗粒运动的环境为暗室环境。在暗室下，保证捕捉微米颗粒运动轨迹足够清晰，方便测量与计算。进一步的，通过高速摄像装置测量微米颗粒运动的轨迹。受相机分辨率的影响，相机分辨率越高，所测量的颗粒尺寸越小，利用高速摄像机可以清晰的捕捉微米颗粒的运动轨迹，保证测量和计算的准确性。一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量系统，包括设置于箱体内的微米颗粒发射装置，轨迹采集装置，以及至少一个处理器和存储器，处理器运行存储在存储器中的计算机程序，以实现如下步骤：(1)使微米颗粒与水平板碰撞，形成连续抛物线、且抛物线峰值高度逐渐降低的运动；(2)测量运动的轨迹，至少记录各抛物线的横向距离以及抛物线峰值高度；(3)根据步骤(2)计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，以切向与法向的冲量比等效为滑动摩擦系数，从而获得滑动摩擦系数。进一步的，通过各碰撞点的法向恢复系数与切向恢复系数计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，计算公式为：其中，fk为切向与法向的冲量比，enk为法向恢复系数，etk为切向恢复系数，θ为入射方向与竖直方向夹角，可由入射法向速度与切向速度表示；其中，k为碰撞次数，l为抛物线的横向距离，h为抛物线峰值高度。进一步的，箱体为真空环境箱。进一步的，还包括照明系统，照明系统用于照亮微米颗粒运动区域。进一步的，轨迹采集装置为高速摄像装置。附图说明图1是本专利技术原理示意图；图2是本专利技术测量系统示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步说明。微米颗粒滑动摩擦系数的测量系统实施例：微米颗粒滑动摩擦系数的测量系统，如图2所示，包括真空环境箱1，支撑框架系统2，微米颗粒发射装置3，激光照明系统4，条形目标材料板5(水平板)，竖直壁面6，颗粒吸附材料7，高速摄像机8(高速摄像装置)、图像分析处理装置9，图像分析处理装置9包括处理器和存储器。真空环境箱1内的环境为真空环境或者高真空环境，所谓真空是指，在一个给定的空间，当内部气体分子被抽得很稀薄，压强低于一个大气压以下时的状态叫做真空，气体的稀薄程度叫真空度，当真空度低于1.333×10-1～1.333×10-6Pa时称高真空。其中，支撑框架系统2，微米颗粒发射装置3，激光照明系统4，条形目标材料板5，竖直壁面6，颗粒吸附材料7放置于真空环境箱1中，支撑框架系统2固定于特定的位置用于安装微米颗粒发射装置3和激光照明系统4，微米颗粒发射装置3可以根据需求调节安装高度和喷口角度，条形目标材料板5至于真空环境箱1的底部用于与微米颗粒发生碰撞并反弹，颗粒吸附材料7设置于竖直壁面6内侧，高速摄像机8与图像分析处理装置9连接，且高速摄像机8与图像分析处理装置9放置于真空环境箱1外部，捕捉微米颗粒的运动轨迹并进行微米颗粒滑动摩擦系数的计算。具体过程为，为了能够清晰的捕捉到微米颗粒的运动轨迹，整个测量系统的测量过程都是在暗室中进行的，发射微米颗粒前，激光照明系统4、高速摄像机8及图像分析处理装置9处于工作状态，调整微米颗粒发射装置3的角度，使微米颗粒的运动轨迹在竖直平面内，微米颗粒处于真空或高真空环境中，避免空气阻力以及气动力影响其运动轨迹，当微米颗粒发射装置3发射出微米颗粒后，微米颗粒以一定的初速度在重力作用下，经过一段时间后将与条形目标材料板5发生第一次碰撞、第二次碰撞，第三次碰撞等，直至粘附于颗粒吸附材料7上或静止于目标材料板5上，高速摄像机8捕捉并记录微米颗粒的整个运动轨迹，将记录的运动轨迹发送给图像分析处理装置9，通过图像分析处理装置9的分析计算，经过图像分析得到第一次、第二次碰撞后的反弹高度及碰撞点间距，利用所提出的理论公式可以直接计算得到颗粒滑动摩擦系数。根据本测试原理，可以实现不同尺寸、不同成分的颗粒滑动摩擦系数测量，配套图像识别系统，并且能够一次发射多个颗粒实现同时测量，提高测量的效率和可行性。具体计算过程及原理如下，微米颗粒与条形目标材料板5的碰撞接触过程，可以分为滑动和滚动两个状态。微米颗粒以一定法向(竖直方向)速度和切向(水平方向)速度与条形目标材料板5碰撞，反弹后将在重力作用下，再次与条形目标材料板5发生碰撞，此过程不断重复，直至微米颗粒停止或运动至测量范围之外，其运动轨迹如图1所示。利用微米颗粒在重力作用下的多次碰撞，可以测量微米颗粒的滑动摩擦系数。微米颗粒以某一速度从高处释放，颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使微米颗粒与水平板碰撞，形成连续抛物线、且抛物线峰值高度逐渐降低的运动；(2)测量所述运动的轨迹，至少记录各抛物线的横向距离以及抛物线峰值高度；(3)根据步骤(2)计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，以切向与法向的冲量比等效为滑动摩擦系数，从而获得滑动摩擦系数。

【技术特征摘要】
1.一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使微米颗粒与水平板碰撞，形成连续抛物线、且抛物线峰值高度逐渐降低的运动；(2)测量所述运动的轨迹，至少记录各抛物线的横向距离以及抛物线峰值高度；(3)根据步骤(2)计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，以切向与法向的冲量比等效为滑动摩擦系数，从而获得滑动摩擦系数。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过各碰撞点的法向恢复系数与切向恢复系数计算碰撞过程中切向与法向的冲量比，计算公式为：其中，fk为切向与法向的冲量比，enk为法向恢复系数，etk为切向恢复系数，θ为入射方向与竖直方向夹角，可由入射法向速度与切向速度表示；其中，k为碰撞次数，l为抛物线的横向距离，h为抛物线峰值高度。3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，微米颗粒运动的环境为真空环境或者高真空环境。4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，微米颗粒运动的环境为暗室环境。5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过高速摄像装置测量微米颗粒运动的轨迹。6.一种微米颗粒滑动摩擦系数的测量系统，包括设置于箱体内的微...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞跨海，姚世乐，李明远，陈艳，张天娇，曹利君，辛士红，岳珠峰，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41