بررسی تجربی برخورد ذره کروی آب‌گریز با سطح مشترک هوا - آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 Shahrood University of Tech, Shahrood, Iran

2 دانشکده مهندسی مکانیک ،دانشگاه صنعتی شاهرود،شاهرود،ایران

3 دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

فیلم فلوتاسیون یک روش برای جداسازی ذرات معدنی آب‌گریز از ذرات آب‌دوست است. در این مقاله به منظور شبیه‌سازی این روش، برخورد ذرات آب‌گریز کروی با سطح مشترک هوا – آب، مورد آزمایش قرار گرفت. هدف پژوهش حاضر، به دست آوردن سرعت بحرانی برخورد است که ذره آب‌گریز در آن روی سطح مایع شناور می‌ماند طوریکه در سرعت‌های بالاتر از سرعت بحرانی به طور کامل در مایع نفوذ می‌کند. برای پیش‌بینی سرعت بحرانی، یک مدل ریاضی بر اساس موازنه انرژی ارائه شده است. ذرات از جنس تفلون در اندازه‌های 3 – 5 میلی‌متر مورد استفاده قرار گرفتند. از آب مقطر با چگالی 1000/71 kg/m3 به عنوان سیال آزمایش استفاده شد. با استفاده از یک دوربین پرسرعت 4500 فرم در ثانیه، سقوط ذرات در مایع عکس‌برداری شد. از آزمایش‌ها برای ذرات کروی آب‌گریز تفلون دو رژیم شناوری و نفوذ مشاهده شد و سرعت‌های بحرانی برای همه اندازه‌ها محاسبه گردید و پس از پردازش تصاویر متوالی چگونگی حرکت ذره درون سیال به دست آمد. برای اولین بار ماکزیمم عمق نفوذ، عمق برگشتی، ارتفاع برگشتی و عمق شکست برای هر ذره تعیین شد و از مقایسه آ نها مشخص شد که در سرعت‌های بحرانی و نزدیک آن نفوذ ذره با نوساناتی همراه است و هرچه سرعت از مقدار بحرانی بیشتر شود تعداد نوسانات کاهش یافته تا این که در سرعت‌های بالاتر، ذره بدون هیچ نوسانی از سطح مایع جدا می‌شود. وابستگی ماکزیمم عمق نفوذ به ارتفاع سقوط مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با افزایش ارتفاع سقوط، ماکزیمم عمق نفوذ نیز افزایش می‌یابد. همچنین به بررسی تأثیر اندازه ذرات بر سرعت بحراتی پرداخته شد و مشاهده شد که با افزایش اندازه ذرات سرعت بحرانی کاهش می‌یابد. علاوه براین تغییرات سرعت ذره و سرعت خط تماس سه فازی طی نفوذ در سیال در شرایط بحرانی رسم شد. مشاهده شد سرعت ذره در حین نفوذ، کاهش می‌یابد تا اینذکه در بیشترین عمق نفوذ، به صفر می‌رسد و ذره شروع به حرکت به سمت بالا می‌کند. در حین حرکت به سمت بالا، مقدار سرعت تا رسیدن به یک مقدار ماکزیمم افزایش یافته و مجددا کاهش می‌یابد و ذره تا یک ارتفاع مشخص پیش می‌رود تا این که در نهایت سرعتش به صفر می‌رسد و نیروی گرانش، ذره را دوباره به سمت پایین هدایت می‌کند. مدل ریاضی توسعه داده شده با مشاهدات آزمایش مقایسه شد و مشخص شد که در محدوده مدل‌سازی با مقادیر داده‌های به دست آمده هم‌خوانی خوبی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Impacting a Spherical Hydrophobic Particle on an Air-Water Interface

نویسندگان [English]

  • Mohsen Nazari 1
  • maryam ramezani bazan 2
  • Mohammad Mohsen Shahmardan 3
2 Department of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology,Shahrood, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

In this study,  the impact of spherical hydrophobic particles on an air-water interface  was analyzed experimentally. The aim of this study is to obtain a critical impact velocity in which the hydrophobic particle remains on the liquid surface so that it penetrates completely at higher velocities than the critical velocity. A mathematical model was developed based on energy balance to predict the critical velocity. The Teflon particles of diameter 3-5 mm were used. Distilled water with a density of 1000.71 kg/m3 was used as the fluid. Particle falls into the fluid were captured by using a high-speed video camera with the rate of 4500 fps. For Teflon spherical hydrophobic particles, two floatation and penetration regimes were observed from experiments. After processing of sequential images, the motion of a particle inside the fluid was obtained and for the first time, the maximum penetration depth, rebound depth, rebound height and the pinch off depth were determined for each particle and it was found that, at critical velocities, particle penetration is associated with oscillations, and at higher velocities than the critical number, the number of oscillations is decreased. The dependence of maximum penetration depth on drop height was studied and it was found that with increasing drop height, the maximum penetration depth is also increased. Also, the effect of particle size on critical velocity was investigated and it was observed that with increasing the particle size, the critical velocity is decreased. In addition, the particle velocity and the velocity of the three-phase contact line were plotted at critical conditions. The developed mathematical model was also compared with the experimental observations, and it was found that there is a good agreement with the measured values.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Particle impact
  • critical impact velocity
  • contact angle
  • multi-phase flow
[1]  Hoeven van der MJ. Particle-Droplet Collisions in Spray Drying. PhD Thesis. Australia: School of Engineering, University of Queensland, 2008.
[2]  D. Liu,  Q.  He,  G.  Evans,  Penetration  behaviour of individual hydrophilic particle at a gas–liquid interface, Advanced Powder Technology, 21(4) (2010) 401-411.
[3]  S. Mitra, E. Doroodchi, V. Pareek, J.B. Joshi, G.M. Evans, Collision behaviour of a smaller particle into a larger stationary droplet, Advanced Powder Technology, 26(1) (2015) 280-295.
[4]   D. Vella, D.-G. Lee, H.-Y. Kim, Sinking of a horizontal cylinder, Langmuir, 22(7) (2006) 2972-2974.
[5]   D. Vella, D.-G. Lee, H.-Y. Kim, The load supported by small floating objects, Langmuir, 22(14) (2006) 5979-5981.
[6]   D.-G. Lee, H.-Y. Kim, Impact of a superhydrophobic sphere onto water, Langmuir, 24(1) (2008) 142-145.
[7]   D.-G. Lee, H.-Y. Kim, Sinking of small sphere at low Reynolds number through interface, Physics of Fluids, 23(7) (2011)072104 .
[8]   Y. OZAWA, K. MORI, Critical condition for penetration of solid particle into liquid metal, Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, 23(9) (1983) 769-774.
[9]  S. Mitra, E. Doroodchi, G.M. Evans, V. Pareek, J.B. Joshi, Interaction dynamics of a spherical particle with a suspended liquid film, AIChE Journal, 62(1) (2016) 295-314.
[10]  D. Liu, Q. He, G. Evans, Capture of impacting particles on a confined gas–liquid interface, Minerals Engineering, 55 (2014) 138-146.
[11] D. Liu, G. Evans, Q. He, Critical fall height for particle capture in film flotation: Importanceof three phase contact line velocity and dynamic contact angle, Chemical Engineering Research and Design, 114 (2016) 52-59.
[12]   H. Schulze, New theoretical and experimental investigations on stability of bubble/particle aggregates in flotation: a theory on the upper particle size of floatability, International Journal of Mineral Processing, 4(3) (1977) 241-259.
[13]  J. Drzymala, Characterization of materials by Hallimond tube flotation. Part 2: maximum size of floating particles and contact angle, International journal of mineral processing, 42(3-4) (1994) 153- 167.
[14]  B. Shahbazi, B. Rezai,  S.J.  Koleini,  The  effect  of hydrodynamic parameters on probability of bubble–particle collision and attachment, Minerals Engineering, 22(1) (2009) 57-63.
[15]  S. Fosu, W. Skinner, M. Zanin, Detachment of coarse composite sphalerite particles from bubbles in flotation: Influence of xanthate collector type and concentration, Minerals Engineering, 71 (2015) 73- 84.
[16]  H. Bradford, Method of saving floating materials in ore-separation, in, Google Patents, 1886.
[17]  D.N. Tran, C.P. Whitby, D. Fornasiero, J. Ralston, Selective separation of very fine particles at a planar air–water interface, International Journal of Mineral Processing, 94(1) (2010) 35-42.
[18]  T. Engh, Silicon deoxidation of steel by injection of slags with low silica activity, Scand. J. Metallurgy, 1(3) (1972) 103-114.