بررسی آزمایشگاهی سقوط گلوله‌های کروی درون سیال نیوتنی و محاسبه ضریب پسا با استفاده از تصویر برداری

سقوط ذرات جامد درون سیال بعنوان یکی از مسایل پرکاربرد در بسیاری از صنایع از جمله صنعت آب و فاضلاب، زیست فناوری، مهندسی محیط زیست، مهندسی دریا و... است. در این پژوهش به مطالعه آزمایشگاهی سقوط گلوله‌های فولادی با قطرهای مختلف (از 8 تا 25 میلی‌متر) درون یک کانال آب ایستا (با فاصله از دیواره) پرداخته شده است. همچنین بعنوان یک مطالعه موردی اثر دیواره بر حرکت و سرعت گلوله با قطر مشخص مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور از یک دوربین تصویر برداری پرسرعت استفاده و سرعت سقوط گلوله‌ها در حین سقوط تا زمان رسیدن به سرعت حدی بصورت تابعی از زمان توسط پردازش تصویر استخراج شده است. ضریب پسا و سایر پارامترهای وابسته نیز محاسبه و گزارش شده است. همچنین برای اولین بار نتایج آزمایشگاهی به دست آمده مربوط به سرعت لحظه‌ای و حدی با نتایج آزمایشگاهی سایر پژوهشگران و حل عددی معادلات حاکم مقایسه و صحت سنجی شده است. حداکثر اختلاف گزارش شده بین نتایج بدست آمده آزمایشگاهی و حل عددی برای سرعت لحظه‌ای و حدی به ترتیب 12 و 4.5 درصد می‌باشد. بر اساس نتایج بدست آمده، نتایج آزمایشگاهی مربوط به ضریب پسا تطابق بسیاری با رابطه ضریب پسا پیشنهادی پژوهش‌های پیشین دارد. نتایج همچنین نشان داد که سقوط گلوله در نزدیکی دیواره منجر به تغییر مسیر گلوله در راستای افقی می‌شود اما سرعت سقوط در مقایسه با حالت دور از دیواره تغییر چندانی نداشته است.

Experimental Investigation of Falling Spherical Balls with Different Sizes in Newtonian Fluid and Calculation of Drag Coefficients Using Photography

The falling and sedimentation of solid particles in liquids occur in many natural and industrial processes such as water and waste water industries, biotechnologies, environmental engineering, marine engineering, etc. This study represents the results of the experimental study of the falling velocity of steel balls in the water channel for different ball diameters (in the range of 8 to 25mm). The tests are done far from the channel walls. Moreover, as a case study, the wall effect on falling velocity of steel ball (i.e. diameter=12mm) is examined. A highspeed camera is used to determine the coordinate of a falling sphere and estimate the ball velocity and drag coefficients. In addition, a numerical method is used to solve the governing equations in comparison with experimental data. Comparing experimental and numerical results for transient and terminal velocities shows the maximum difference of 12 and 4.5% respectively. Experimental drag coefficients have good agreement with other published data. In addition, falling near the wall leads to a negligible effect on velocity but path diversion is observed.