Please use this identifier to cite or link to this item: http://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/79370
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorItthichai Preechawuttipong-
dc.contributor.authorTanapon Yachaien_US
dc.date.accessioned2024-01-04T09:58:52Z-
dc.date.available2024-01-04T09:58:52Z-
dc.date.issued2023-10-
dc.identifier.urihttp://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/79370-
dc.description.abstractEffective mixing and precise separation of granular materials are essential for many industries that use granular materials as raw materials in production, such as pharmaceuticals, food processing, and construction [1]. These granular materials are typically subjected to internal changes due to vibration during transportation, which directly impacts the quality and uniformity of the product. One of the key mechanisms that affects the separation and mixing phenomena is convection. Friction between particles and wall friction are important factors for convection [2-5]. However, previous studies have not been clear about the effects of friction on convection under different amplitudes. Therefore, this study investigated the influence of wall friction, particle friction, and vibration amplitude on the convection phenomena in granular materials under vertical vibration. The research aimed to numerically and experimentally investigate the influence of the particle frictions on the convection in 2D granular materials composed of disk particles under vertical vibrations. These numerical and experimental results were then compared to each other. The present study began with the implementation of 2D simulations by using the Non-smooth Contact Dynamics (NSCD) method. The granular sample used in this study consists of 4000 disk particles with an average diameter D = 10 mm. The diameters were uniformly distributed within the range of 9 mm to 11 mm, resulting in a creation of a monodisperse granular sample. The interparticle friction coefficient (μp) and wall-particle friction coefficient (μw) were systematically changed within the range of 0.1 to 1.0. The particles were contained within a container subjected to the vertical vibration, characterized by a constant dimensionless acceleration of Γ = 5. The vibration frequency was adjusted to corresponding to the different vibration amplitudes of 0.35D, 0.5D, and 1.0D. Next, 4000 Polymethyl Methacrylate (PMMA) particles were used in the experiment to prepare the granular sample. These particles were categorized into five different sizes: 9 mm, 9.5 mm, 10 mm, 10.5 mm, and 11 mm. The wall-particle friction coefficients (μw) were specifically varied by 0.15, 0.26, 0.36, 0.46, 0.61, 0.81, and 0.95, with the selection of different wall materials, including polytetrafluoroethylene (PTFE) tape, polyethylene (PE) tape, masking tape, sandpaper No. 10000, sandpaper No.5000, and polyurethane (PU) tape. On the other hand, the interparticle friction coefficient (μp) remained constant at a value of 0.5. The granular sample was subjected to the vertical vibration with the same conditions as done in the simulations. The vibrational amplitudes were adjusted to 0.5D and 1.0D. High-speed cameras were employed to capture the particle positions at various time steps. These capture positions were then used to calculate the particle velocities. The index associated with the convection of particles in the granular material can be subsequently determined. This index, a dimensionless angular velocity W, was introduced and developed to describe the occurrence, intensity, as well as the direction of convection. In comparison, the results obtained from both simulations and experiments showed a similar trend. It was observed that convection remained absent when the friction coefficient μw ≤ 0.2 or μp ≤ 0.1 (the value of W approached to zero or was less than 5 × 10–4) for all vibrational amplitudes. The onset of convection appeared when μw ≥ 0.4 and μp ≥ 0.2. This phenomenon is caused by the wall friction force, inducing particles to climb on nearby ones while moving downward. At the same time, the interparticle friction plays a role in preventing slippage during this climb. The intensity of convection, denoted by the value of W, increases with μp, reaching a maximum when μw = μp. Subsequently, the intensity of convection was relatively constant when μp > μw. This is due to the fact that the wall friction force cannot overcome interparticle friction force. Additional observations from the experimental and simulation results revealed that all convections observed were the normal convections (W > 0). This provides particles at the wall move downward while those in the center region of the container migrate upward. The vibrational amplitude significantly affects the convection in the granular samples with the higher interparticle and wall-particle friction coefficients, i.e. μp and μw ≥ 0.6. In this case, the higher friction force results in a loose-packed structure, thus leading to particles moving downward freely through such voids. As a consequence, the dimensionless angular velocity increases rapidly. Additionally, the dimensionless angular velocity obtained from the experiments and the simulations yield similar results, but that obtained from the experiments were slightly higher than that obtained from the simulations. This can be explained by the front and back cover plates of the container used in the experiments provided the friction forces driving the particles downward faster.en_US
dc.language.isoenen_US
dc.publisherChiang Mai : Graduate School, Chiang Mai Universityen_US
dc.titleEffects of friction ratio of granular material on convection in two dimensional under vertical vibrationen_US
dc.title.alternativeผลของสัดส่วนความเสียดทานของวัสดุเม็ดต่อการหมุนวนใน 2 มิติภายใต้การสั่นสะเทือนในแนวดิ่งen_US
dc.typeThesis
thailis.controlvocab.lcshMechanical engineering-
thailis.controlvocab.lcshGranular material-
thailis.controlvocab.lcshFriction-
thailis.controlvocab.thashimage processing-
thesis.degreedoctoralen_US
thesis.description.thaiAbstractการผสมอย่างมีประสิทธิภาพและการแยกวัสดุเม็ดอย่างละเอียดมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมที่ใช้วัตถุดิบเป็นวัสดุเม็ดในส่วนหนึ่งของการผลิต เช่น ยา การแปรรูปอาหาร และการก่อสร้าง เป็นต้น[1] วัสดุเม็ดเหล่านี้โดยปกติแล้วจะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในจากแรงสั่นสะเทือนระหว่างการขนส่งซึ่งมีผลโดยตรงต่อคุณภาพและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ หนึ่งในกลไกสำคัญที่ส่งผลต่อปรากฏการณ์การแยกและการผสมคือการหมุนวน โดยที่แรงเสียดทานระหว่างอนุภาคและความเสียดทานผนังภาชนะคือตัวแปรที่สำคัญต่อการหมุนวน[2-4] อย่างไรก็ตามการศึกษาในอดีตยังไม่มีความชัดเจนเกี่ยวกับผลของแรงเสียดทานต่อการหมุนวนภายใต้แอมพริจูดที่แตกต่างกัน ดังนั้นการศึกษานี้จึงศึกษาอิทธิพลของแรงเสียดทานของผนัง แรงเสียดทานระหว่างอนุภาค และแอมพลิจูดของการสั่นที่มีต่อปรากฏการณ์การหมุนวนในวัสดุเม็ดที่อยู่ภายใต้การสั่นสะเทือนในแนวดิ่ง วัตถุประสงค์หลักของการวิจัยมี 2 ประการคือ ประการแรก เพื่อศึกษาผลการจำลองทางคอมพิวเตอร์และการทดสอบจริงของความต่างความเสียดทานของอนุภาคที่มีผลต่อการหมุนวนของวัสดุเม็ดด้วยอนุภาคทรงกระบอก 2 มิติ ภายใต้การสั่นสะเทือนในแนวดิ่ง และประการที่สอง เพื่อเปรียบเทียบผลการจำลองทางคอมพิวเตอร์กับการทดสอบจริงของอัตราส่วนความเสียดทานระหว่างอนุภาคและระหว่างอนุภาคและผนังที่มีผลต่อการการหมุนวน เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์แรกจึงศึกษาด้วยวิธีการจำลองใน 2 มิติด้วยระเบียบวิธีแบบ Non-smooth Contact Dynamics (NSCD) โดยการจำลองวัสดุเม็ดที่ประกอบด้วยอนุภาครูปทรงดิสก์ 4,000 อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย D = 10 มม. (เส้นผ่าศูนย์กลางกระจายตัวแบบ Uniform อยู่ระหว่าง 9 มม. และ 11 มม.) ซึ่งทำให้ได้วัสดุเม็ดที่มีลักษณะคล้าย Monodisperse ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างอนุภาค (μp) และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างอนุภาคและผนัง (μw) ถูกกำหนดให้มีค่าอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 1.0 และถูกบรรจุในภาชนะที่ถูกสั่นสะเทือนด้วยความเร่งการสั่นสะเทือนแบบไร้มิติ (Γ) คงที่เท่ากับ 5 ในขณะที่ความถี่การสั่นสะเทือนถูกปรับให้เหมาะสมกับแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่ถูกปรับเป็น 0.35D, 0.5D และ 1.0D ตามลำดับ เพื่อบรรลุวัตถุประสงค์ที่สองนั้นในการทดสอบจริงตัวอย่างวัสดุเม็ดประกอบไปด้วยอนุภาคดดิสก์ที่ทำจาก Polymethyl Methacrylate (PMMA) จำนวน 4000 อนุภาค แบ่งเป็นขนาด 9 มม. 9.5 มม. 10 มม. 10.5 มม. 11 มม. ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างอนุภาคและผนังมีค่าเท่ากับ 0.15, 0.26, 0.36, 0.46, 0.61, 0.81 และ 0.95 จากการปรับเปลี่ยนวัสดุผนังด้วย polytetrafluoroethylene (PTFE) tape, a polyethylene (PE) tape, a masking tape, a sandpaper No. 10000, a sandpaper No.5000 และ a polyurethane (PU) tape ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์เสียดทานระหว่างอนุภาคมีค่าเดียวเท่ากับ 0.5 วัสดุเม็ดถูกบรรจุในภาชนะจะถูกสั่นในแนวดิ่งด้วยค่าความเร่งไร้หน่วยค่าเดียวกับการจำลองทางคอมพิวเตอร์ และค่าแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนถูกปรับให้เท่ากับ 0.5D และ 1.0D ตำแหน่งของอนุภาค ณ ช่วงเวลาต่างๆ ของการทดสอบจะถูกบันทึกเป็นภาพเคลื่อนไหวด้วยกล้องความเร็วสูงเพื่อนำมาประมวลผลเป็นค่าความเร็ว และค่าดัชนีที่เกี่ยวข้องกับการหมุนวนของอนุภาคในวัสดุเม็ดโดยที่ความเร็วเชิงมุมไร้หน่วย W ได้ถูกนิยามและพัฒนาขึ้นเพื่อใช้เป็นดัชนีที่อธิบายถึงการเกิดหรือความรุนแรงรวมถึงทิศทางของการเกิดการหมุนวนด้วย ผลการทดลองทั้งจากการจำลองทางคอมพิวเตอร์และการทดสอบจริงตัวอย่างวัสดุเม็ดแสดงให้เห็นว่า การหมุนวนจะไม่เกิดขึ้นเมื่อค่าความเสียดทาน μw ≤ 0.2 หรือ μp ≤ 0.1 (ค่า W มีใกล้ศูนย์ หรือมีค่าน้อยกว่า 5×10-4) สำหรับทุกค่าแอมพลิจูดของการสั่น การหมุนวนจะเริ่มเกิดขึ้นเมื่อ μw ≥ 0.4 และ μp ≥ 0.2 เป็นผลมาจากความเสียดทานของผนังที่สามารถผลักให้อนุภาคไต่บนอนุภาคใกล้เคียงเพื่อเคลื่อนที่ลงได้ ในขณะเดียวกันแรงเสียดทานระหว่างอนุภาคก็ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการไถลในระหว่างการไต่นี้ และความรุนแรงของการหมุนวนจะเพิ่มขึ้น (ค่า W เพิ่มขึ้น) เมื่อ μp เพิ่มขึ้นและจะถึงค่าสูงสุดที่ μw = μp จากนั้นค่าความรุนแรงของการหมุนวนจะค่อนข้างคงที่หรือไม่เพิ่มขึ้นเมื่อ μp > μw เนื่องด้วยแรงเสียดทานผนังไม่สามารถเอาชนะแรงเสียทานระหว่างอนุภาคได้ ดังนั้นแรงเสียดทานระหว่างอนุภาคจึงมีค่าเท่ากับแรงเสียดทานผนังจึงเป็นเหตุให้ W คงที่ ข้อสังเกตุเพิ่มเติมจากผลการทดสอบจริงและการจำลองเชิงคอมพิวเตอร์ทุกการหมุนวนที่เกิดขึ้นจะเป็นการหมุนวนแบบปกติ (W > 0) (อนุภาคที่ผนังเคลื่อนที่ลงในขณะที่อนุภาคตรงกลางกล่องเคลื่อนที่ขึ้น) อิทธิพลของแอมพลิจูดของการสั่นต่อการหมุนวนจะส่งผลอย่างมีนัยสำคัญสำหรับวัสดุเม็ดที่มีความเสียดทานระหว่างอนุภาคและระหว่างอนุภาคและผนังที่สูง ในที่นี้ μp, μw ≥ 0.6 ความเร็วของการหมุนวนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากวัสดุเม็ดที่มีความเสียดทานสูงจะมีการจัดเรียงตัวที่ค่อนข้างหลอมและทำให้เกิดช่องว่างมากพอให้อนุภาคเคลื่อนที่ลงได้อย่างอิสระตามความเร็วของผนังที่เพิ่มขึ้นด้วยแอมพริจูดที่เพิ่มขึ้น นอกจากนั้นค่าความเร็วเชิงมุมไร้หน่วยหรือความรุนแรงของการหมุนวนจากการทดสอบจริงและจากการคำนวณเชิงคอมพิวเตอร์ให้ผลลัพธ์ไปในทางเดียวกัน เพียงแต่ค่าที่ได้จากการทดสอบจริงจะมีค่าที่มากกว่าเล็กน้อย เนื่องจากความเสียดทานที่แผ่นปิดด้านหน้าและด้านหลังของภาชนะช่วยเพิ่มแรงให้อนุภาคเคลื่อนที่ลงเร็วขึ้นen_US
Appears in Collections:ENG: Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
610651002-TANAPON YACHAI.pdf4.98 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy


Items in CMUIR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.