1、研究背景

   顆粒與壁面碰撞動力學研究是能源、化工及材料科學領域的核心課題，影響能源設備效率與可靠性，如流化床反應器設計。高速攝像機憑借高時空分辨率，成為實時捕捉粒子碰撞軌跡、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系數COR表征，受粒子屬性（粒徑、楊氏模量）、壁面特性（材料剛度、表面層結構）及碰撞速度共同調控。傳統接觸式傳感器無法捕捉微秒級瞬態過程，容易干擾粒子運動軌跡。東南大學研究團隊采用千眼狼高速攝像機以40,000fps幀率非接觸動態追蹤50μm 級粒子碰撞全程。

   2、實驗設計

   實驗設計一套微粒碰撞動態捕捉裝置，由顆粒發射系統和速度測量系統組成(圖1)。顆粒發射系統選取聚苯乙烯（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。通過調節顆粒速度（0–30 m/s）、粒徑及靶材屬性，系統性研究COR的動態演變規律。速度測量系統利用位移平臺將目標表面和噴嘴精確地對齊在同一軸線上，調整高速攝像機焦距至噴嘴中點，通過調節噴嘴與目標之間距離，實現物理視場尺寸和像素分辨率的優化，確保高速攝像機能準確捕捉顆粒運動軌跡。

(圖1)

   3、高速攝像機的技術應用

   1）追蹤碰撞軌跡

   高速攝像機以40,000fps幀率捕捉碰撞視頻序列，通過分析軟件逐幀分析。以50μm PS顆粒撞擊Mo靶面為例（圖2），系統可精確測量顆粒入射角、反射角及速度分量，計算法向恢復系數。數據表明，COR隨碰撞速度呈現“粘附-過渡-穩定-塑性變形”四個階段演化特征，高速攝像技術為碰撞動力學區域劃分提供直接證據。

(圖2)

   2）解析能量耗散機制

   通過對比不同粒徑（50μm與100μm PS顆粒）的碰撞過程，高速攝像機揭示了彈性力學與阻尼力的主導作用差異。大顆粒因慣性效應顯著延長接觸時間，其彈性恢復力增速快于黏性耗散，導致更高的COR值。這一發現為優化顆粒材料設計提供了重要依據。

   3）驗證離散元模擬模型

   針對靶面預置顆粒層的復雜工況，采用離散元法（DEM）模型驗證堆積模式立方體堆積、六邊形堆積與層厚對COR的調控規律，利用高速攝像機為DEM的驗證提供重要的實驗圖像依據。實驗結果表明，六邊形堆積結構因交替接觸模式降低能量耗散效率，COR值較立方體堆積結構低20%。

   千眼狼高速攝像機在本次顆粒與壁面碰撞實驗中提供了多尺度的時空解析能力，成為顆粒動力學研究的基準驗證工具，40,000fps高幀率精準量化了COR動力學分區，通過解析粒子速度-位移關系，為DEM模型驗證提供序列圖像數據，推動從微觀參數到宏觀現象的跨尺度預測。