Экспериментальное исследование конвекции магнитных жидкостей в однородном магнитном поле тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

? ) Ь V м 1 Ц ЬВГ 1995

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На прашаг рукописи

Божко Александра Александровна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКЦИИ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации аа соискание ученой степепи кандидата физико-математических наук

Пермь-1995

Работа выполнена на кафедре общей физики Пермского государственного университета.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор И. М. КИРКО;

кандидат физико-математических наук, доцент Г. Ф. ПУТИН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник А. Ф. ПШЕНИЧНИКОВ (Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАЯ, г. Пермь);

кандидат физико-математических наук, доцент В. Г. КОЗЛОВ (Пермский государственный педагогический университет).

Ведущая организация - НИИ механики Московского государственного университета.

Защита состоится «.41?..»____..........1995 г.

в ./й. часов на заседании диссертационного совета Д-063.59.03 в Ьермском государственном университете (г. Пермь, ГСП, 614600, ул. ^укирева, 15).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан «.»... ... 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д-063.59.03 кандидат физико-математических наук.

доцент

Г. И. СУББОТИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследование конвективного теплообмена в магнитных жидкостях (МЖ) имеет актуальное прикладное значение в связи с их расширяющимся применением в различных технических устройствах, таких как магнитожидкостные уплотнители, системы охлаждения и преобразования энергии и так далее. Особо важное значение термомагнитный механизм конвекции приобретает в невесомости, где отсутствуют обычные силы плавучести. Детальнее . изучение этого механизма способствует развитию методов управлегия течениями и теплопереносом в космических и наземных аппаратам. Силы поляризации, возникающие в неравномерно нагретой магнита:й жидкости, представляют интерес и с точки зрения фундаментальной науки как проявление одного из видов взаимодействия электромагнитного поля и среды.

Целью данной диссертации является исследование конвекции в ферроколлоиде, помещенном во внешнее однородное магнитное поле. Изучение проводится на примере классических задач для нсизотермических горизонтального и вертикального слоев.

Научная новизна работы состоит в установлении и изучении ряда ранее неизвестных свойств конвективной неустойчивости и надкритических течений в плоском слое магнитной жидкости, помещенном в однородное магнитное поле.

Научно-практическая ценность работы:

- усовершенствован традиционный метод Шмидта-Милвертона по определению теплопередачи через слой МЖ применительно к экспериментам по термоконвекции в однородных магнитных полях; развит метод визуализации конвективных структур в непрозрачных МЖ с помощью жидкокристаллического термоиндикатора;

- данные о взаимодействии термогидродинамической и термомагнитной

мод неустойчивости в МЖ представляют интерес с точки зрения магнитной гидродинамики как предельный случай непроводящих жидкостей;

результаты экспериментального исследования конвективной неустойчивости и надкритических волновых движений в продольном магнитном поле и в его отсутствие представляют общетеоретический интерес, поскольку способствуют построению адекватной модели термомагнитной конвекции; дополняют представления о влиянии на конвекцию осложняющих факторов и интересны с точки зрения нелинейной теории гидродинамической устойчивости. Зарегистрированные в работе дефекты конвективных структур относятся к области исследований, привлекающих в последнее время пристальное внимание

- экспериментально обнаруженные в работе эффекты стабилизации и дестабилизации равновесия подогреваемого снизу слоя ферроколлоида в однородном поперечном магнитном поле в зависимости от значений намагниченности насыщения МЖ и напряженности внешнего магнитного поля позволяют управлять теплообменом в различных устройствах. Следует особо отметить, что термомагнитный механизм конвекцин позволяет добиться четырех-пятикратного усиления теплопереноса, что позволяет эффективно использовать данное свойство не гилько е земных условиях, но и в невесомости.

Материалы диссертации вошли в программу спецкурсов "Конвекция'' и "Гидродинамика невесомости", читаемых на IV,V курсах физического факультета Пермского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках разрабатываемых кафедрой обще! физики Пермского университета тем "Конвекция и теплообмен I ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияюк осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическу! устойчивость"( N ГР01860081295 ) и "Гидродинамика поляризующихся

жидкостей и гетерогенных систем". Исследования являются также составной частью Международного научно-технического проекта "Конвективные явления и процессы тепло-массопереноса в условиях невесомости и микрогравитации" и программы "Университеты России" (направление II, "Шравновесные процессы в макроскопических системах").

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Первом Всесоюзном семинаре-совещании по электрогидродинамике жидких диэлектриков (Ленинград, 1989г.), аа Республиканской конференции "Численные метода моделирования технологических процессов" (Рига, 1989г.), на Четвертой Всесоюзной школе молодых ученых "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1990г.), на Пятом Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (Пермь, 1990г.), на Шестой Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям (Москва, 1991г.), на Международном симпозиуме "Гидромеханика и тепло- массообмен в невесомости" (Пермь - Москва, 1991г.), на Восьмой Международной школе-семинаре "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (Москва, 1992г.), на научной сессии Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН "Задачи механики в условиях микрогравитации" (Москва, 1993г.), на Международной конференции "Негравитационные механизмы конвекции и тьмшо-массообмена" (Звенигород, 1994г.), на Десятой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995г.), на Пермском городском гидродинамическом семинаре под руководством профессора Г.З.Гершуни.

Автором представляются к защите:

результаты экспериментального исследования конвектизной неустойчивости равновесия и структур надкритических движений в подогреваемом снизу горизонтальном слое ферроколлоида в

отсутствие магнитного поля;

результаты экспериментального исследования конвективной неустойчивости и теплопереноса в горизонтальном слое неравномерно нагретых МЖ различных концентраций во внешнем однородном поперечном и продольном магнитных полях;

обнаруженные экспериментально особенности колебательной неустойчивости механического равновесия, а также надаритических волновых движений в подогреваемом снизу горизонтальном слое МЖ при наличии продольного магнитного поля;

- результаты экспериментального исследования термомагнитном леустойчивости плоскопараллельного гравитационно-конвиктивного течения МЖ в вертикальном слое под действием поперечного магнитного поля.

Объем и структура работы.

Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы (130 наименований). Общий объем диссертации 125 страниц, включая 37 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулированы цели и положения, выносимые на защиту, приведены сведения об аппробации работы.

В первой главе рассмотрены свойства и основные уравнения термомеханики магнитных жидкостей. Приведен обзор работ, близких к тематике диссертации, на основании которого дана характеристика современного состояния вопроса.

Во второй главе отмечены особенности лабораторного исследования термомагнитного механизма конвекции в однородном липшем поле, рассмотрены экспериментальная установка и методика

измерений.

В лабораторном эксперименте по термомагнитной конвекции для усиления влияния пондеромоторных сил по сравнению с подъемным силами гравитационного происхождения целесообразно организовать такие условия, при которых магнитный аналог числа Рэлея Нт=Ц0(РтМДТ1г)г/рг>а{ 1 ) превосходит или, по крайней мере, сравним с гравитационным параметром йд= gpДTh3/г>a. Здесь немагнитная постоянная; рт и р - относительный пиромагнитный коэффициент и коэффициент теплового расширения; М намагниченность жидкости; ДТ - перепад температуры на слое жидкости; Ь - высота слоя; р, V, а, % ~ плотность, кинематическая вязкость, температуропроводность, магнитная воприимчивость жидкости; g - ускорение свободного падения. Из отношения управляющих параметров можно заметить, что для повышения рощ магнитного механизма необходимо использовать тонкие слси, возможно большие перепады температур и жидкости с высокши значениями намагниченности насыщения.

Большая часть опытов выполнена с коллоидным-раствором, имевиш концентрацию твердой фазы 1055, р = 1250 кг/м, вязкость в отсутс-тние магнитного поля т] = 0,006 кг/м'с, начальную восприимчивость X = 5,72., намагниченность насыщения Ма= 55 кА/м, средьий раз»ер частиц бммкм.

Постоянное магнитное поле в эксперименте создавалось катушками 1'ельмгольца либо электромагнитом, которые подключались к стабилизированным источникам постоянного тока. В центральную зону внутри магнитной системы помещались конвективные камеры двух модификаций. Первая использовалась для изучения конвективных структур и измерения локального теплового потока. Для этого полость высотой <1=3.5+0.03мм и диаметром 75мм ограничивалась о одной из широких сторон медной пластиной теплообменника, а с

другой - прозрачным теплообменником, составленным из двух параллельных пластин из органического стекла. По каналам теплообменников прокачивалась вода от струйных ультратермостатов. Для суждения о структуре конвективных движений по всему полю кюветы использовалась термочувсвительная жидкокристаллическая пленка, меняющая окраску от коричневой через зеленую до синей при повышении температуры в интервале 24-27°С.

О пороге возбуждения и интенсивности течений можно со значительно Оольшей точностью судить, измеряя поперечный теплоперенос через полость с жидкостью и перепад на твердой прокладке с помощью дифференциальных медь-константановых термопар.

Безразмерной характеристикой локального теплопереноса через слой может служить число Нуссельта Ш=кАТ]/АТ , где к. - эмпирическая постоянная, имеющая смысл отношения эффективных тешюпроводностей слоя жидкости и твердой прослойки и вычисляемая в отсутствие конвекции; ДТ1 - перепад температур на прослойке.

Для исследования устойчивости и интенсивности течений использовалась модификация конвективной камеры, в которой узел из органического стекла заменялся медным теплооОмешопсом . Последний был снабжен интегральным датчиком теплового потока в виде фторопластовой прокладки, прижатой к теплообменнику медной пластиной. Толщина слоя МЖ в этой кювете составляла 1г=2±0.03мм.

1'ермомагнитный механизм конвекции обусловлен неоднородноотями намагниченности, которые в проводимых опытах, при перепадах температуры в несколько градусов, не превышали одного процента. Чтобы ослабить влияние возмущающих движений за счет концевых эффектов, тепловой поток измерялся в центральной области, значительно меньшей диаметра конвективной камеры, где

- 9 -

неоднородности внешнего поля были менее 1%.

Третья глава посвящена исследованию конвективной устойчивости и теплообмена в плоском слое МЖ, помещенном в однородные поперечное либо продольное магнитные поля.

В работе определены условия, при которых наблюдаются эффекты повышения либо, напротив, понижения термоконвективной устойчивости горизонтального слоя ферроколлоида в однородном внешнем поперечном поле и прослежен переход между этими. эффектами. Показано, что поведение изучаемой конвективной системы в магнитном поле определяется, в основном, конкуренцией дестабилизирующих факторов - термогравитационного (при нагреве снизу) и термомагнитного механизмов возбуждения конвекции, и факторов, препятствующих появлению течений - устойчивой стратификации жидкости по плотности из-за седиментации частиц и при нагреве сверху, а также магнитовязкого эффекта.

В концентрированном коллоиде за счет больших значений намагниченности и пороговых перепадов температур магнитное число Рэлея

з

уже в умеренных полях Н=35кА/м достигает величины Ят=2.5-10. При таган условиях дестабилизирующее влияние термомагнитной силы является преобладающим и конвск'щя в подогреваемой снизу жидкости возбуждается при ДТсДТ. (рис.1,а, обозначения 2).

кр

В разбавленной МЖ из-за существенно меньших намагниченности и критических разностей температур значения параметра на

порядок ниже, чем в концентрированной. В этом случае преобладает стабилизирующая роль магнитовязкого эффекта и седиментации агрегатов, поэтому конвекция в поперечном поле при подогреве снизу возникает при перепадах ДТ>ДТ (рис.1,6, обозначения 2).

кр

Для генерации конвекции с помощью термомагнитных сил в нагреваемом сверху слое требуется развить большие значения магнитного числа Рэлея Л , чем при подогреве снизу. При тех же

напряженности поля это достигается путем увеличения перепада температур, поэтому точки ветвления и кривые теплопередачи в рассматриваемой здесь ситуации (рис.1,а,о, линии 3) располагаются правее полученных в условиях подогрева снизу.

При промежуточных концентрациях (Мз=32 кА/м) по мере увеличения напряженности поля наблюдается изменение соотношения дестабилизирующего и стабилизирующего термоконвективную устойчивость механизмов на противоположное (рис.4).

Результат взаимодействия пондеромоторных и архимедых сил представлен на рис.2 - 4. Квадранты карт ДТ>0 отвечают подогреву слоя снизу, а квадранты ДТ<0 - нагреву сверху; точка ДТ/ДТкр=1 на оси абсцисс соответствует началу чисто гравитационной

конвекции.

к

N111 )

■м •-2 //

о-З //

г р дТЛТкр

1

а 6

№с.1. Теплоперенос через горизонтальный слой в поперечном поле: а - Мз=55кА/м, ДТкр=25К; 0 - Мз=18кА/м, ДТкр=4.5К. 1 и 2 -подогрев слоя снизу, Н=0 и 70кА/м соответственно; 3 - нагрев сверху, Н=70кА/м.

1

Рис.2. Изолинии числа Нуссельта: ДТ =25, M =55кА/м.

Рис.3. Изолишш числа Нуссельта: ДТ =4.5, Мд=18кА/м.

Рис.4. Изолинии числа Нуссельта: ДТ =7.5KV Мз=32кА/м.

В главе 3 приведены также результаты исследования конвективной неустойчивости подогреваемого снизу горизонтального слоя магнитной жидкости в продольном поле. Показано, что продольное магнитное поле не влияет на порог наступления конвекции.

В этой же главе приведены результаты исследования 1лайчивости гравитационного течения в однородном внешнем поперечном поле. Показано, что при достижении критических значений напряженности магнитного поля и перепада температур на плоскопараллельное подъемно-опускное течение накладывается термомагнитное движение в виде системы вертикальных конвективны-, валов.

В четвертой главе исследуются надкритические режимы течений в подогреваемом снизу горизонтальном слое МЖ в отсутствие и при наличии продольного магнитного поля.

Как предсказывает теория, в случае однородного распределения кощентрации магнитных частиц неустойчивость носит монотонный характер. В противоположность этому, в экспериментах во всем исследованном диапазоне надкритичностей ЛТ/дТкр$ 4 и полей Н$30кА/м наблюдались колебательные режимы конвекции. Период колебаний уменьшался от 1.5 часов в точке бифуркации в отсутствие поля до 1 минуты при максимальных значениях ЛТ и Н. На рис.5 показана диаграмма режимов течений и типичные планформы. Поле направлено в плоскости рисунка по вертикали. Область 1 соответствует, механическому равновесию. Для Н=0 и ДТ^ДТк? структуры трансформируются от полной спирали, охватывающей I начальном состоянии всю полость, к нескольким спиральным дoмeнa^ левой и правой закрутки.

Когда магнитное поле мало (область 2), сохраняйте; квазиспиральные структуры, и может иметь место конечно

амплитудное возбуждение распространения фронта конвекции от одной границы полости к другой и обратно, повторяющееся во времени.

Выше области 2 конвективные валы ориентированы вдоль поля. В области 3 валы спонтанно распадаются на ячейки, а затем воссоединяются обратно. Данное состояние известно как "zipper state". В области 4 генерируется состояние, называемое "confined state", в котором в некоторых частях контейнера конвекция практически отсутствует.

В областях 5 и 6 наблюдаются модулированные бегущие волны ("blinking state"). В зоне 5 валы движутся перпендикулярно силовым линиям поля в направлении боковых границ полости. В егом случае две дислокации рождаются вблизи полюсов и сливаются в центре, выталкивая боковые валы. Область 6 соответствует обратной пространственно-временной эволюции: валы разрываются в центре, и дислокации расходятся к полюсам, в то время как дополнительные валы появляются в районе боковых границ.

Ню.5. Карта режимов конвекции в продольном магнитном поле.

Приведены серии фотографий, иллюстрирующие характерные фазы перечисленных выше режимов конвекции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально исследована устойчивость механического рэпновесия и надкритические течения в горизонтальном подогреваемом снизу слое МЖ в отсутствие магнитного поля. В опытах ло визуализации были обнаружены спиральные автоволны.

2. Установлены причины противоречия между известными на сегодняшний день экспериментами по устойчивости механического

'равновесия неравномерно нагретого горизонтального слоя МЖ в вертикальном магнитном поле. Показано, что, меняя содержание магнитной фаьы и значения напряженности внешнего поля, можно управлять конвективной неустойчивостью МЖ.

3. Разработаны конвективные камеры двух модификаций, позволившие снизить погрешность в определении порога конвекции по сравнению с известными опытами почти на порядок и обнаружить не зарегистрированные ранее волновые режимы конвекции.

4. В широкой области параметров исследован теплоперенос через горизонтальный подогреваемый снизу и сверху слой МЖ, помещенный во внешнее однородное поперечное магнитное поле.

Ь. Построена карта волновых режимов конвекции в продольном магнитном поле. Показано, что во всем исследованном диапазоне напряженностей поля и перепадов температуры неустойчивость МЖ носит колебательный характер.

6. Экспериментально исследована термомагштная неустойчивость плоскопараллельного течения в подогреваемом сбоку вертикально-л слое, помещенном в поперечное магнитное поле.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Божко А.А. Лабораторное моделирование термоконвекции //XII

Шбилейная конференция молодых ученых Института машиноведения "Актуальные проблемы машиноведения". - Москва,1989. - С.63.

2. Божко А.А. Экспериментальное исследование процесса развития

термоконвекции // III Всесоюзная конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" - Новосибирск, 1989. - С.234 - 235.

3. Божко А.А. Экспериментальное исследование процесса развития

термоконвекции // Прикладные задачи математической физики. -Сборник научных трудов. Латв. гос. университет им. П.Стучки. - Рига,1989. - С.28 - 36.

4. Божко А. А. Экспериментальное исследование конвективной

устойчивости ферроколлоида в магнитном поле // VI Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики". - Новосибирск,1990. - С.67 - 68. Ь. Божко А.А., Путин Г.Ф. Экспериментальное исследование термомагнитной конвекции // V Всесоюзное совещание по физике магнитных жидкостей. - Пермь, 1990. - С.136 - 138. d. Божко А.А. Экспериментальное исследование термомагнитной конвекции в однородном магнитном поле // IV Всесоюзная конференция молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики". Новосибирск,1991. - С.155 - 156. 7. Babushkln I.A., Bozhko A.A., Glukhov A.F., Kosvlntsev S.R., Putin G.F., Zavarykln M.P., Zorln S.V. Laboratory modeling of some non-gravitational and. low-gravitational mechanisms of convection // Abstracts or Int. Symp. on hydromechanics and heat/mass transfer In mlcrogravity.Perm - Moscow.-1991.-P.15.

0. Божко А.А., Путин Г.Ф. О термомагнитной конвекции в ферроколлоиде // Тезисы докладов VI Всесоюзн. конференции по магнитным жидкостям. - Плес, 1991. - С.32 - 33.

9. Божко А.А., Путин Г.Ф. Экспериментальное исследование

термомагнитной конвекции в однородном внешнем поле // Изв. АН СССР. Сер. фИЗ. - Т.55, N 6. - С.1149 - 1155.

10. Babushkln I.A., Bozshko А.А., Gluhov A.F., Kosvlnsev S.R., Putin G.F., Zavarlkln M.P., Zorln S.V. Laboratory Investigation of some control mechanisms of convection. First Int. Symposium Physical problems or ecology, nature management and resorces conservation.-Izhevsk,1992.-P.85.

11. Bozshko A.A., Putin G.F. On thermomagnetlc convection In

ferrocolloid // Vlllth European symposium on materials and fluids sciences In mlcrogravlty. - Brussels, 1992. - P.66.

12. Bozshko A.A., Putin G.F. Convective Instability of magnetic

fluid // Int. workshop "Non-gravitational mechanisms of convection and heat/mass transfer. - Zvenigorod, 1994.-P.71. <3. Bozhko A.A., Kylosov A.N., Putin G.F. Convective instability of a horizontal layer of ferrofluid in the presence of longitudinal magnetic field // Vllth Int. conference on magnetic fluids. IShavnagar, India. - 1995. - P.134 - 135.

Ьокко Александра Александровна ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКЦИИ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

К печати 21.04.95 г. Тираж 100 экз.

Формат бум.60x84 1/16 Печ.л.1

Заказ 303

Типография ПВВКТУ