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在工业生产中，粉末材料的稳定输送至关重要。为深入探究金属粉末在细毛细管中的气动输送情况，研究人员开展相关研究。他们获取了高速视频记录等数据，该研究为验证计算模型、优化系统设计提供依据，助力多行业发展。
在现代工业的大舞台上，粉末材料的高效运输就像一场精密的舞蹈，而气动输送系统则是这场舞蹈的幕后指挥家。在众多工业流程里，稳定的粉末材料流是生产顺利进行的关键，比如在 3D 打印等先进制造领域，粉末材料能否精准、顺畅地输送，直接影响着产品的质量和生产效率。然而，目前的研究大多聚焦于时间平均流速以及大规模系统中的现象，对于像毛细管这样受限几何空间内的粒子流，还缺乏高分辨率、实时的可视化研究。
为了填补这一关键空白，来自西班牙德乌斯托大学（University of Deusto）和意大利特伦托大学（University of Trento）的研究人员，展开了一项极具意义的研究。他们聚焦于金属粉末在细毛细管中的水平气动输送过程，通过一系列精心设计的实验，获取了丰富的实验数据，并将研究成果发表在《Scientific Data》上。
这项研究为深入了解金属粉末在毛细管中的气动输送行为提供了宝贵的数据支持。其意义不仅在于验证计算模型，帮助科研人员更准确地模拟和预测粉末输送过程；还能助力优化工业系统设计，解决实际生产中的操作难题，进而推动先进制造、微流体系统以及制药等多个行业的发展。
研究人员在实验过程中，运用了多种关键技术方法。首先，搭建了一套复杂的气动输送实验装置，其中包括不同形状（圆形、方形、矩形）的毛细管，通过 3D 打印技术制作了管道耦合器和旋转阀进料器。其次，使用高精度的传感器来收集数据，利用霍尼韦尔（Honeywell）的压阻式差压传感器测量压力，通过光电二极管检测管道内的光度变化，以此反映粒子浓度。最后，采用高速摄像机（Phantom VEO 640 L）结合特定镜头（Laowa 25 mm f/2.8 2.5 - 5X Ultra Macro lens）对粉末输送过程进行拍摄，获取高分辨率的视频记录。
实验装置搭建
研究人员设计的实验装置围绕着硼硅酸盐玻璃管展开，该玻璃管有圆形（内径 1.15mm，长 75mm）、方形（通道截面 1×1mm，长 100mm）和矩形（通道截面 6×0.6mm，长 100mm）三种形状。为了连接玻璃管，利用立体光刻（SLA）3D 打印机制作了小型耦合器，并在耦合器上设计了静压测量端口。气体由高压氮气罐提供，经过两级压力调节，最终通过针阀调节器将气体流速控制在 0.1 - 1L/min。同时，旋转阀进料器负责将粉末送入输送回路。
传感器集成与数据采集
在实验装置中，压力端口连接到霍尼韦尔 SSCDRRN100MDAA5 压阻式差压传感器，该传感器能提供 0.5 - 4.5V 的模拟输出，满量程为 ±10kPa，数据更新频率为 1kHz，由 14 位 USB 示波器记录。其精度可达 ±0.25% FSS（Full Scale Span，满量程范围），考虑其他因素后的总误差带为 ±0.2% FSS。光电二极管（Vishay BPW34）则用于检测光度，通过简单的电压分压器和放大器进行预处理，其记录的电压值与管道内粒子数量相关。
相机配置与照明
高速摄像机（Phantom VEO 640 L）配备了 CMOS 传感器和全局快门，分辨率为 2560×1600 像素，像素尺寸为 10μm×10μm。在良好照明条件下，曝光时间约为 10μs，可在亮度和运动清晰度之间取得平衡。镜头选用 Laowa 25 mm f/2.8 2.5 - 5X Ultra Macro lens，其光圈可在 f/2.8 - f/16 之间调节，以控制进光量和景深。照明采用侧面高功率 LED 光源，通过磨砂亚克力板扩散光线，确保拍摄画面清晰、背景均匀。
数据记录与整理
研究获得的数据集包含 101 个以 *.mp4 格式存储的视频记录，每个视频都配有同名的 *.csv 文件，记录压力和光度数据。视频文件命名遵循特定格式，包含材料、管道尺寸、气体流速、测试编号等信息。数据存储在 Zenodo 平台，方便科研人员获取和使用。
技术验证
通过对高速视频记录的细致分析，验证了其在捕捉粒子流方面的清晰度和准确性，确保能清晰识别和跟踪单个粒子。压力和光度数据与视频同步记录，且通过实验测定的粒子尺寸分布（PSD）与粉末制造商提供的数据相近，进一步证明了实验数据的可靠性。
研究结论
这项研究成功获取了金属粉末在毛细管中气动输送的高速视频记录、压力和光度数据，为研究受限空间内的粒子动力学提供了丰富的实验依据。这些数据对于验证计算模型（如 CFD - DEM 和 MP - PIC）至关重要，能帮助科研人员更准确地理解粒子聚集、分离和流动不规则性等现象。同时，研究成果对优化工业系统设计、提高先进制造过程中的材料沉积均匀性、提升产品质量具有重要意义，也为微流体系统和制药过程等领域提供了有价值的参考。
讨论
虽然该研究取得了重要成果，但仍存在一些可改进之处。例如，旋转阀进料器容易受到侵蚀，需要频繁更换，这影响了实验的连续性和稳定性，未来可对其进行优化设计。此外，在图像测量方面，尽管通过管道内径进行了校准，但仍存在一定误差，使用远心镜头和并行光线光源有望进一步提高测量精度。总体而言，这项研究为金属粉末气动输送领域的研究开辟了新的方向，为后续研究奠定了坚实基础，对推动相关行业的技术进步具有不可忽视的作用。
