Физические механизмы захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле

Боев, Максим Леонидович

Физические механизмы захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Боев, Максим Леонидович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Физические механизмы захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле»

Автореферат диссертации на тему "Физические механизмы захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле"

Боев Максим Леонидович

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЗАХВАТА И ДРОБЛЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В НАБЕГАЮЩЕМ МАГНИТНОМ

ПОЛЕ

01.04.07- Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 4 НОЯ 2013

КУРСК-2013

005538002

/іурюе^

Боев Максим Леонидович

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЗАХВАТА И ДРОБЛЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В НАБЕГАЮЩЕМ МАГНИТНОМ

ПОЛЕ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КУРСК-2013

Работа выполнена на кафедре нанотехнологий и инженерной физики Юго-Западного государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

Полунин Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: Неручев Юрий Анатольевич

Защита состоится «4» декабря 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

доктор физико-математических наук, профессор, Курский государственный университет, профессор кафедры физики и нанотехнологий

Лебедев Александр Владимирович

доктор физико-математических наук,

Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории динамики дисперсных систем.

Ведущая организация: Воронежский государственный технический

университет, кафедра физики твердого тела

Автореферат разослан _> октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Процесс захвата порции воздуха с поверхности столбика магнитной жидкости (МЖ), находящейся внутри стеклянной трубки, осуществляется управляемым потоком МЖ под действием пондеромоторных сил неоднородного магнитного поля, перемещающегося в осевом направлении. По мере перемещения кольцевого магнита вниз воздушная полость прижимается пондеромоторными силами неоднородного магнитного поля к донышку трубки. При достижении критического значения давления происходит отделение от полости воздушного пузырька. Оказавшись за пределами «магнитного барьера», воздушный пузырек совершает упругие колебания в магнитном коллоиде, сопровождаемые электромагнитным и акустическим излучением.

Сообщение о стабилизации нижней поверхности столбика МЖ в трубке при помощи неоднородного магнитного поля приводится в работе (Rosensweig R.E. Ferrohydrodynamics // Cambridge Monographs on Mechanics and Applied Mathematics. - New-York, 1985. 344 p.). Однако ни в этой, ни в других научных публикациях не было сообщений об образовании и затоплении воздушной полости в МЖ за счет набегающего магнитного поля, о стабильности объема полости в условиях прессинга. Вместе с тем в экспериментальных исследованиях данного процесса заинтересованы такие отрасли физической науки как физическая акустика и магнитная гидродинамика, поскольку генерация электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной МЖ пузырьком представляет не изученное ранее явление. В научной литературе отсутствуют сообщения об электромагнитном излучении, сопровождающем процесс пульсаций воздушных пузырьков в МЖ.

Исследование физических свойств данной системы отвечает интересам практического характера. В частности, заслуживает внимания идея использования данной системы в качестве счетчика газа, предназначенного для дозированной подачи газа в реактор с соответствующей сигнализацией в виде электромагнитных или акустических импульсов, что может найти

применение в некоторых химических, физико-биологических и фармацевтических технологиях для обеспечения высококачественного • мониторинга процесса. В этой связи возникает интерес к изучению условий, от которых зависит эффективность процесса (оптимальный размер пузырьков, ширина распределения по размерам оторвавшихся пузырьков, частота заполнения и амплитуда сопровождающего процесс радиоимпульса), а также выбор подходящей по составу МЖ.

Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.

Целью настоящей работы является установление физических . механизмов захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка методики исследования и создание комплексной компьютеризированной экспериментальной установки для изучения процессов захвата воздушной полости магнитной жидкостью, отделения воздушных пузырьков от полости, прижатой магнитным полем к донышку трубки;

- экспериментальное и теоретическое исследование топографии магнитного поля используемого кольцевого магнита;

- наблюдение эволюции формы свободной поверхности МЖ-столбика в процессе захвата воздушной полости и разработка адекватной теоретической модели;

- получение экспериментальной зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения магнитного поля на образцах МЖ с различной вязкостью;

- на основе полученных данных по зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения источника магнитного поля предложить физическую модель кинетики процесса;

- разработка двух взаимно дополняющих методик определения размеров

всплывающих пузырьков;

- получение осциллограмм, характеризующих процессы отрыва и колебаний пузырьков;

- на основе полученных экспериментальных и теоретических данных описать физические процессы, происходящие при захвате полости и при отрыве пузырька.

Объектом исследования являются образцы нанодисперсной магнетитовой МЖ, приготовленные на основе различных жидкостей (керосин, синтетическое углеводородное масло, ПЭС-2, минеральное углеводородное масло, ПЭС-4). Предмет исследования - процессы захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Создана экспериментальная установка и разработана методика для изучения зависимости объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости;

2. Зависимость объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости описана двумя характерами течения магнитной жидкости: луночным и струйным;

3. Изучен процесс деления воздушной полости в магнитной жидкости в виде отрыва от нее воздушных пузырьков при сдавливании пондеромоторными силами магнитного поля. Установлено явление электромагнитного излучения пульсирующим в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком, оторвавшимся от полости. Экспериментально доказана возможность прецизионного определения размеров пузырька по частоте излучения.

Положения, выносимые на защиту: 1. Методика и экспериментальная установка для изучения зависимости объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим

потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости; указанная зависимость описывается двумя механизмами захвата воздушной полости, отличающимися течением магнитной жидкости, которое имеет струйный или луночный характер;

2. Теоретическое объяснение струйного характера течения дано на основе модели неустойчивости. Луночный механизм захвата воздушной полости магнитной жидкостью качественно описан с использованием концепции отображения геометрии свободной поверхности магнитной жидкости на начальной стадии захвата полости посредством топографии изолиний модуля напряженности магнитного поля и предложенной кинетической схемы процесса;

3. При сдавливании воздушной полости пондеромоторными силами магнитного поля осуществлен процесс деления полости в виде отрыва воздушных пузырьков; зафиксирован эффект электромагнитного излучения пульсирующим при всплытии газовым пузырьком, по частоте которого возможно прецизионное определение размеров пузырька и массы содержащегося в нем газа.

Достоверность результатов обеспечивается использованием апробированных экспериментальных методик и расчётами погрешности измерений; использованием поверенной измерительной техники; сопоставлением полученных результатов с работами, выполненными другими авторами, выводы которых идентичны с учётом конкретных условий; совпадением данных нескольких независимых экспериментов, проведённых на одних и тех же образцах.

учебном процессе, что положительным образом сказывается на качестве подготовки специалистов технических специальностей, стимулирует интерес студентов к научно-исследовательской работе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование нанодисперсной магнитной жидкости — процессов захвата, удерживания и транспорта воздушной полости нанодисперсной магнитной жидкостью. Полученные научные результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности: п. 2; п. 6.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества» (Саратов, 2011), III Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011), X Международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2012), Российской конференции по магнитной гидродинамике .(Пермь, 2012), 15 Международной Плесской научной конференции по магнитным жидкостям (Плес, 2012), научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Таганрог, 2012), III Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012), XVIII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2013).

Публикации; Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 18 работах, из них 8 в рецензируемых журналах и изданиях.

Личный вклад автора: разработаны методики и экспериментальные установки для исследования физических механизмов захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле, выполнен весь объём экспериментальных и теоретических исследований,

сформулированы положения, выносимые на защиту.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 121 странице и содержит 38 рисунков, 17 таблиц и 113 наименований цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, задачи и основные положения, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 представлен обзор ранее опубликованных работ. На основании представленного литературного обзора намечена цель и обозначены задачи исследования.

В главе 2 Описаны методы исследования и комплексная компьютеризированная экспериментальная установка для изучения процессов захвата воздушной полости МЖ, отделения воздушных пузырьков от полости, прижатой магнитным полем к донышку трубки (рис.1.).

Стеклянная трубка с донышком 1, наполненная МЖ 2, жестко закреплена на металлической конструкции 3 при помощи фиксирующего фланца 4. Соосно трубке расположен кольцевой магнит 5, закрепленный на узле б. Узел 6 перемещается по валу 7 при помощи винтовой передачи от малогабаритной поворотной

установки (МПУ-1) 8. Вращению устройство 9, закрепленное на 8. Объем захваченной воздушной полости определяется частотой свободных колебаний данной системы (рис.1.). Для

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки

узла 6 препятствует фиксирующее

фиксации частоты колебаний в магнит 5 вмонтирована катушка индуктивности 10, сигнал с которой передается с помощью АЦП 11 в ПК 12. После'перемещения магнита вниз под столбиком МЖ находится полость 13.

Экспериментальная установка позволяет варьировать скорость движения магнита в диапазоне 0,01 - 0,84 мм/с при использовании малогабаритной поворотной установки (МПУ-1) и 5-35 мм/с при замене МПУ-1 коллекторным двигателем постоянного тока.

Определение объема захваченной воздушной полости Уя осуществляется по приращению высоты столбика МЖ и по частоте колебаний столбика МЖ, расположенного над воздушной полостью, V [1]:

У^ряс}8/47г2Ир(у2-(1 + х)м0М2Сг/р) (1)

где р^ — плотность газа (в данном случае - воздуха), с - скорость звука в воздухе, 5 - площадь поперечного сечения трубки, р - плотность МЖ, к -высота МЖ-столбика над полостью, ц0 - магнитная постоянная, М2 -намагниченность МЖ, 0: - градиент напряженности магнитного поля, х ~ магнитная восприимчивость.

Оценка радиуса пузырька проводится двумя способами: Д0* - по среднему значению объема, полученному путем деления исходного объема захваченной воздушной полости на число электромагнитных импульсов -индикаторов отрыва пузырьков, и /?0 - по частоте радиальных колебаний пузырьков V. При этом Я0 рассчитывается по формуле [2]:

где Ро - давление воздуха внутри пузырька, у=Ср/Су - отношение удельных теплоемкостей воздуха.

В главе 3 приведены основные параметры образцов МЖ, исследуемых в экспериментах. Образцы МЖ №54-58 приготовлены в проблемной научно-исследовательской лаборатории прикладной феррогидродинамики (ИГЭУ). Образец МЖ-1 получен по методике химической конденсации на кафедре

нанотехнологий и инженерной физики ЮЗГУ. Физические параметры образцов МЖ представлены в таблице 1.

Таблица 1

Образец МЖ Плотность, р (кг/м3) Дисперсионная среда Намагниченность насыщения, (кА/м) Вязкость МЖ, л (Па-с)

МЖ-1 1320 Керосин 40 0,005

МЖ-54 1290 Синтетическое углеводородное масло 40 1,110

МЖ-55 1385 ПЭС-2 _| 40 0,125

МЖ-56 1282 Минеральное углеводородное масло 40 0,368

МЖ-57 1405 ПЭС-4 40 0,630

МЖ-58 1252 Керосин 41 0,012

Описан процесс захвата воздушной полости МЖ в набегающем магнитном поле. Захват и затопление воздушной полости осуществляются за счет перетока МЖ по стенкам трубки. В стационарном состоянии верхний и нижний столбики МЖ разделены воздушной полостью. Визуальными наблюдениями

установлено, что течение МЖ при затоплении воздушной полости происходит в виде тонких струй (рис. 2).

Описана методика и полученные результаты измерений напряженности магнитного поля на оси кольцевого магнита.

Приведены данные по зависимости объема захватываемой воздушной полости Ух

представленные на рисунке 3.

Рис. 2. Струйное течение МЖ

1 - кольцевой магнит,

2 - стеклянная трубка.

3 - МЖ

4 - Струйки МЖ

к„-1(г, м-'

□ МЖ-55

А МЖ-56

О МЖ-57

14 12 10

6 "I

,м3

♦ МЖ-54 Д МЖ-58

30 40

ит, мм/с

30 40

и„, мм/с

а)

б)

Рис. 3 Зависимости объема полости от скорости движения магнита.

Описано явление электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной МЖ газовым пузырьком, оторвавшимся от полости. Осциллограммы электромагнитных сигналов, показанные на рисунках 5а и

56 в разных масштабах времени, предоставляют определенную информацию о перемещениях частиц МЖ при образовании (5а) и колебаниях всплывающего

пузырька (56).

Произведен расчет

приращения давления в полости при отрыве пузырька, а также массы газа в пузырьке.

В главе 4 выполнен анализ

/0,006' б)

Рис.4. Осциллограммы колебаний

0,007

полученных экспериментальных данных. На основе модели неустойчивости плоской поверхности МЖ в нормальном к ней магнитном поле [3] дано объяснение струйного характера течения МЖ по стенкам трубки при захвате воздушной полости.

Форма поверхности МЖ на начальной стадии захвата полости описана на основе концепции «отображения» геометрии свободной поверхности топографией изолиний модуля напряженности магнитного поля [3].

г, мм

через 0

Компоненты индукции магнитного поля В определяются скалярный потенциал у по формуле В = -%гас!ш. Расчет силового поля выполнен в среде МАТЪАВ. Сетка ю изолиний магнитного поля в пределах используемой трубки представлена на рисунке 5. В ?о нижней части трубки показана изолиния 0,018, которая согласно концепции «отображения»

иллюстрирует форму поверхности МЖ на начальном этапе захвата полости.

Анализ зависимостей Уя(ит), показанных на рисунках 3, 6, приводит к предположению о ступенчатом характере данной зависимости. В диапазоне скоростей 0-1 мм/с (рис. 6) объем захватываемой

-30 -20 -10 0 10 20 30

Рис.5. Изолинии силового поля кольцевого магнита

1 - кольцевой магнит

2 - стеклянная трубка

полости в пределах 13

погрешности измерений 11

(-10%) остается неизменным 9

- «верхняя ступенька». 7 В диапазоне 5-35 мм/с (рис. 3, 6) наблюдается

Уе-Ю , м

I 1 11-1 I I I-

] 0,25 0,5 0,75 10

и„, мм/с

Рис. 6. График зависимости объема полости от скорости движения магнита для МЖ-1

монотонное убывание со скоростью с тенденцией к замедлению. Специфической является зависимость Уж(игп), полученная для наиболее вязкого образца МЖ-54 (рис. 36). При достижении скорости -12 мм/с дальнейшее снижение объема не происходит. Зависимость У^(и„) в данном случае образует «нижнюю ступеньку». Наличие «ступенек» предположительно связано с существованием двух механизмов перетока МЖ

в область максимального поля, характеризуемых определенной временной последовательностью. Это струйный механизм и луночный, осуществляемый за счет приповерхностных микропотоков. Выводы, вытекающие из предложенной версии кинетики процесса затопления полости на качественном уровне соответствуют результатам эксперимента.

Наиболее вероятным местонахождением участка отрыва пузырьков от полости является точка соприкосновения вершины изолинии 0,095 (рис. 5.) с плоскостью симметрии магнита. •

Таблица 2

Образец МЖ Радиус R0\ мм Радиус Ro, мм

МЖ-1 1,2 1Д

МЖ-54 2,9 -

МЖ-55 2,0 1,8

МЖ-56 2,3 2,2

МЖ-57 2,6

МЖ-58 1,5 1,4

В таблице 2 приведены результаты расчета радиусов всплывающих пузырьков R0* и Rq. С увеличением вязкости образцов в порядке МЖ-1, МЖ-58, МЖ-55, МЖ-56 зафиксирован факт возрастания радиуса оторвавшегося пузырька. Однако, для образцов МЖ-54 и МЖ-57 нами не были зафиксированы радиоимпульсы, сопутствующие пульсирующим в МЖ пузырькам, что, по-видимому, связано со значительным демпфированием колебательного процесса вязкими напряжениями.

По частоте электромагнитного излучения пульсирующих пузырьков с использованием средств MS Excel получен обширный массив значений R0_ позволяющий для образцов МЖ-1, МЖ-55, МЖ-56, МЖ-58 построить гистограммы распределения пузырьков по размерам. В качестве примера на рисунке 7 представлена гистограмма для МЖ-1 в процентном выражении от общего числа оторвавшихся пузырьков.

30 20 10

. Ro, мм

1,05 1,13 1,21 Рис.7. Гистограмма размеров пузырьков для образца МЖ-1

По полученным

данным изучена также зависимость радиуса

всплывающего пузырька от размера воздушной полости, находящейся под столбиком МЖ. Обнаружена тенденция к уменьшению радиуса пузырька по мере сокращения объема полости, что отражено графически при помощи' гистограммы, представленной на рисунке 8. Здесь высота каждого прямоугольника соответствует среднему значению 7?о в соответствующем интервале значений По-видимому, эта тенденция связана с уменьшением угла при вершине конуса, образованного поверхностью полости, соприкасающейся с плоскостью симметрии магнита (рис.5), и, как следствие, - с уменьшением порции воздуха, продавливаемого через «магнитный барьер».

. В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методики исследования и создана комплексная компьютеризированная экспериментальная установка для изучения процессов захвата воздушной полости МЖ, отделения воздушных пузырьков от полости, прижатой магнитным полем к донышку трубки.

2. Экспериментально и теоретически исследована топография магнитного поля используемого кольцевого магнита; описана форма свободной поверхности МЖ на начальной стадии захвата полости топографией изолиний модуля напряженности магнитного поля на основе концепции «отображения» геометрии свободной поверхности МЖ топографией изолиний модуля напряженности магнитного поля.

1,45 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20+

Ко, мм

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

м3

Рис.8. Зависимость радиуса всплывающих пузырьков от объема воздушной полоста

3. Экспериментально обнаружен струйный характер течения МЖ при перемещении полости вниз по трубке и дано его теоретическое объяснение на основе модели неустойчивости В.Г. Баштового;

4. Получены экспериментальные зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения магнитного поля на образцах МЖ с различной вязкостью; на основе анализа полученных данных сделан вывод о «ступенчатом» характере зависимости объема захватываемой магнитогидродинамическим потоком воздушной полости от скорости перемещения источника магнитного поля и высказано предположение о двух механизмах данного процесса.

5. Исследован процесс деления воздушной полости в МЖ, происходящий в виде отрыва от нее воздушного пузырька при сдавливании пондеромоторными силами магнитного поля и определено местонахождение наиболее вероятного участка отрыва пузырьков от полости.

6. Экспериментально установлен эффект электромагнитного излучения пульсирующим в намагниченной МЖ газовым пузырьком, с использованием которого открывается возможность прецизионного определения размеров пузырька по частоте излучения.

7. Установлена зависимость размеров оторвавшихся пузырьков от вязкости дисперсионной среды и от объема прессингуемой воздушной полости; предложена физическая интерпретация полученной зависимости.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полунин, В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей [Текст] - М.: Физматлит, 2012. - 384 с.

2. Сиротюк, М.Г. Акустическая кавитация. [Текст] отв. ред. В.А. Акуличев, Л.Р. Гаврилов; Тихоокеан. океанол. ип-т им. В.И. Ильичева ДВО РАН. -М. : Наука, 2008. -271 с.

3. Баштовой, В.Г. Введение в термомеханику магнитных жидкостей [Текст] / В.Г. Баштовой, Б.М. Берковский, А.Н. Вислович // М.: ИВТАН, 1985. 188 с.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Полунин, В.М. Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, удерживаемой силами левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан, Г.В. Карпова, Л.И. Рослякова // Акустический журнал. - 2013. Том 59. - № 1. - С. 63-69.

2. Баштовой, В.Г. Захват и передислокация порции воздуха управляемым потоком нанодисперсной магнитной жидкости [Текст] / В.Г. Баштовой,

B.М. Полунин, М.Л. Боев, П.А. Ряполов // Нанотехника. - 2013. - №1(33). -

C. 84-91.

3. Полунин, В.М. Кавитационная модель самовосстановления магнитожидкостной мембраны [Текст] / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, М.Л. Боев, О.В. Лобова, Е.Б. Постников // Акустический журнал. - 2012. Том58.-№3,- С. 308-315.

4. Polunin, V.M. Experimental study of an air cavity held by levitation forces [Text] / V.M. Polunin, M.L. Boev, Myo Min Than, P.A. Ryapolov II Magnetohydrodynamics. - 2012. - V. 48. - № 3. - P. 557-566.

5. Полунин, В.М. Форма поверхности воздушной полости в магнитной жидкости, захваченной и удерживаемой магнитным полем [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан, П.А. Ряполов, И.А. Шабанова, В.Г. Баштовой // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия. - 2012. - № 2. - С. 109-115.

6. Полунин, В.М. Экспериментальное исследование колебательной системы с воздушной полостью, удерживаемой силами левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия. - 2012. - №2. -С. 63-68.

7. Polunin, V.M. On the dynamics of self-restoring of magnetic fluid membranes using a cavitation model [Text] / V.M. Polunin, LA. Shabanova, M.L. Boev, P.A. Ryapolov, E.B. Postnikov // Magnetohydrodynamics. - 2011. - V. 47. -

ЖЗ. - P. 303-313.

8. Полунин, В.М. О возможности использования кавитационной модели при описании процесса разрыва и восстановления • магнитожидкостной мембраны [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, И.А. Шабанова, Е.Б. Постников // Известия Юго-Западного государственного университета. -2011,-№3(36).-С. 32-37.

Другие публикации:

9. Полунин, В.М. Исследование формы поверхности воздушной полости в магнитной жидкости, захваченной и удерживаемой магнитным полем [Текст] / В.М. Полунин, M.JI. Боев, Мьо Мин Тан // XVIII Зимняя школа по механике сплошных сред: тезисы докладов. Пермь,.2013. - С. 53.

Ю.Боев, М.Л. Исследование объема воздушной полости, удерживаемой пондеромоторными силами в магнитной жидкости [Текст] / МЛ. Боев // Будущее науки-2013: материалы Международной молодежной научной конференции. - Курск, 2013. - Т.З. С. 242-245.

П.Полунин, В.М. Неустойчивость течения магнитной жидкости в процессе захвата ею воздушной полости [Текст] / В.М. Полунин, В.Г. Баштовой, Ю.Б. Казаков, М.Л. Боев, И.А. Шабанова и [др.] // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: сб. трудов 4 Всероссийской научной конференции. - Ставрополь, 2013. - С. 173-179.

12.Полунин, В.М. Физическая модель разрыва-восстановления перемычки магнитожидкостного герметизатора [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, И.А. Шабанова, A.M. Стороженко // Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей: сборник докладов X Международной научной конференции 25-28 июня 2012 года. - Санкт-Петербург, 2012. - С. 263-265.

13.Полунин, В.М. Вибрационное течение магнитной жидкости с воздушной полостью, удерживаемой силами левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан, Г.Т. Сычев // Российская конференция по магнитной гидродинамике: тезисы докладов. - Пермь, 2012. - С. 82.

14.Полунин, В.М. Генерирование электро-магнитного импульса при образовании воздушных пузырьков в магнитной жидкости [Текст] /

B.М.Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан, В.М. Пауков // 15 Международная Плесская научная конференция по магнитным жидкостям: сборник научных трудов. - Плес, 2012. - С. 58-63.

15.Полунин, В.М. Колебательная система с упругим элементом на основе эффекта левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан, П.А. Ряполов // Физическая акустика. Нелинейная акустика. Распространение и дифракция волн. Акустоэлектроника. Геоакустика: сборник трудов Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества», - Таганрог, 2012.-Т.1.-С. 93-97.

16.Полунин, В.М. Новый метод исследования, основанный на использовании эффекта магнитной левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: сборник научных трудов III международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики». - Курск, 2012. - №38. -

C. 77-82.

17.Полунин, В.М. Кавитационная модель кинетики разрыва и восстановления магнитожидкостной мембраны [Текст] / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, М.Л. Боев // Физическая акустика. Нелинейная акустика. Распространение и дифракция волн. Акустоэлектроника. Геоакустика: сб. трудов Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества», - Саратов, 2011. - Т.1. - С. 59-63.

18.Полунин, В.М. Физический механизм процесса разрыва-захлопывания магнитожидкостной мембраны [Текст] / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, МЛ. Боев, В.М. Пауков // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: сб. трудов III Всероссийской научной конференции. - Ставрополь, 2011. - С. 79-84.

Подписано в петтЛ9/0.2О13г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Печ.л. 1 . Тираж 100 экз. Заказ 10 . Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Боев, Максим Леонидович, Курск

Боев Максим Леонидович

04201452010

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЗАХВАТА И ДРОБЛЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В НАБЕГАЮЩЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.М. Полунин

КУРСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ............................................................................10

1.1. Синтез и структура нанодиперсного магнитного коллоида.... 10

1.2. Вязкость магнитной жидкости......................................................14

1.3. Некоторые выводы из теории кавитации...................................19

1.4. Исследования последних лет, близкие по тематике..................23

1.4. Применение магнитных жидкостей..............................................30

1.6. Выводы, цель и задачи исследования..........................................32

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ..............................................................................34

2.1. Экспериментальная установка для определения зависимости объема воздушной полости от скорости перемещения источника магнитного поля.......................................................................................34

2.2. Экспериментальная установка и методика определения радиуса прорывающегося через магнитный барьер пузырька.....42

2.3. Методика измерения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов............................................47

2.4. Выводы.................................................................................................51

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................................................52

3.1. Физические свойства объекта экспериментального исследования.............................................................................................52

3.2. Процесс захвата воздушной полости............................................54

3.3. Струйный характер течения магнитной жидкости...................57

3.4. Результаты экспериментального исследования магнитного поля.............................................................................................................60

3.5. Результаты исследования зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения источника магнитного поля ..62

3.6. Результаты исследования спектра излучения воздушного

пузырька....................................................................................................66

3.7. Выводы...............................................................................................72

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И

ВЫВОДЫ..............................................................................................................73

4.1. Теоретическое исследование магнитного поля используемого магнита...................................................................................................73

4.1.1. Изучение магнитного поля матричным методом................73

4.1.2. Изучение магнитного поля методом «отображения»..........78

4.2. Объяснение процессов захвата воздушной полости..................80

4.3. Два механизма захвата полости.....................................................86

4.4. Обоснование луночного механизма..............................................87

4.5. Процесс деления воздушной полости...........................................91

4.6. Явление электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком............93

4.7. Расчет приращения давления в полости при прорыве

пузырька..................................................................................................101

4.5. Выводы.............................................................................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................105

БЛАГОДАРНОСТИ..........................................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................108

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Процесс захвата порции воздуха с поверхности столбика магнитной жидкости (МЖ), находящейся внутри стеклянной трубки, осуществляется управляемым потоком МЖ под действием пондеромоторных сил неоднородного магнитного поля, перемещающегося в осевом направлении. По мере перемещения кольцевого магнита вниз воздушная полость прижимается пондеромоторными силами неоднородного магнитного поля к донышку трубки. При достижении критического значения давления происходит отделение от полости воздушного пузырька. Оказавшись за пределами «магнитного барьера», воздушный пузырек совершает упругие колебания в магнитном коллоиде, сопровождаемые электромагнитным и акустическим излучением.

Исследование физических свойств данной системы отвечает интересам практического характера. В частности, заслуживает внимания

идея использования данной системы в качестве счетчика газа, предназначенного для дозированной подачи газа в реактор с соответствующей сигнализацией в виде электромагнитных или акустических импульсов, что может найти применение в некоторых химических, физико-биологических и фармацевтических технологиях для обеспечения высококачественного мониторинга процесса. В этой связи возникает интерес к изучению условий, от которых зависит эффективность процесса (оптимальный размер пузырьков, ширина распределения по размерам оторвавшихся пузырьков, частота заполнения и амплитуда сопровождающего процесс радиоимпульса), а также выбор подходящей по составу МЖ.

Целью настоящей работы является установление физических механизмов захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- получение экспериментальной зависимости объема захватываемой

полости от скорости перемещения магнитного поля на образцах МЖ с различной вязкостью;

- разработка двух взаимно дополняющих методик определения размеров всплывающих пузырьков;

- получение осциллограмм, характеризующих процессы отрыва и колебаний пузырьков;

Научная новизна результатов заключается в следующем:

3. Изучен процесс деления воздушной полости в магнитной жидкости в

виде отрыва от нее воздушных пузырьков при сдавливании пондеромоторными силами магнитного поля. Установлено явление электромагнитного излучения пульсирующим в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком, оторвавшимся от полости. Экспериментально доказана возможность прецизионного определения размеров пузырька по частоте излучения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика и экспериментальная установка для изучения зависимости объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости; указанная зависимость описывается двумя механизмами захвата воздушной полости, отличающимися течением магнитной жидкости, которое имеет струйный или луночный характер;

сопоставлением полученных результатов с работами, выполненными другими авторами, выводы которых идентичны с учётом конкретных условий; совпадением данных нескольких независимых экспериментов, проведённых на одних и тех же образцах.

Научная и практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные экспериментальные и теоретические результаты могут быть полезны при проектировании новых и модернизации известных устройств, использующих магнитожидкостное заполнение, при создании счетчиков и дозаторов газа в химико-технологическом производстве и фармацевтике при подаче в реактор малых количеств газа, а также могут использоваться в учебном процессе, что положительным образом сказывается на качестве подготовки специалистов технических специальностей, стимулирует интерес студентов к научно-исследовательской работе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование нанодисперсной магнитной жидкости - процессов захвата, удерживания и транспорта воздушной полости нанодисперсной магнитной жидкостью. Полученные научные результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности: п. 2; п. 6.

магнитной гидродинамике (Пермь, 2012), 15 Международной Плесской научной конференции по магнитным жидкостям (Плес, 2012), научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Таганрог, 2012), III Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012), XVIII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2013).

Публикации: Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 18 работах, из них 8 в рецензируемых журналах и изданиях.

ГЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ.

1.1. Синтез и структура нанодиперсного магнитного коллоида

Магнитная жидкость (МЖ) с точки зрения коллоидной химии представляет собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему лиофобного типа с высокой степенью лиофилизации стабилизизированных частиц магнитного материала в дисперсионной среде [4]. Эти жидкости обладают уникальным сочетанием текучести и способности ощутимо взаимодействовать с магнитным полем. Их свойства определяются совокупностью характеристик входящих в неё компонентов (твёрдой магнитной фазы, дисперсионной среды и стабилизатора), варьируя которыми можно в довольно широких пределах изменять физико-химические параметры МЖ в зависимости от условий их применения [5-9].

Синтезированные в середине 60-х годов XX века жидкие ферромагнетики — (МЖ) — представляют собой коллоидные растворы различных ферро - или ферримагнитных веществ в обычных жидкостях [10-13].

Существенное отличие МЖ от известных ранее ферромагнитных суспензий состоит в агрегативной и седиментационной устойчивости, высокой дисперсности частиц твёрдой фазы, макроскопической однородности при длительном пребывании в гравитационном и магнитных полях, способности сильно намагничиваться во внешнем поле практически без изменения вязкости.

Агрегативная устойчивость и магнитные свойства дисперсных магнетиков определяются, в первую очередь, размерами и структурой ферромагнитных частиц. Магнитная структура ферромагнитных частиц изменяется при уменьшении их размеров.

На возможность однодоменного состояния ферромагнитных частиц впервые указали Я.И. Френкель и Я.Г. Дорфман. Согласно их расчётам, проведённым в 1930 году, достаточно малые частицы должны быть однородно намагничены [14]. Причиной реализации однодоменного состояния является возрастание величины поверхностной энергии граничных слоев между доменами по сравнению с объёмной энергией магнитного поля при уменьшении размеров образца. Теоретически однодоменная структура ферромагнитных частиц была рассмотрена Ч. Киттелем (С. Kittel) [15], Л. Неелем (L. Neel) [16, 17], Э. Стонером и Е. Вольфартом (Е. Stoner, Е. Wohlfarth) [18]. В этих работах определены условия существования однодоменного состояния и сделаны оценки критического размера частиц, ниже которого наступает однодоменное состояние. Строгая теория однодоменной структуры мелкодисперсных магнетиков разработана в работах [14, 19, 20].

Методика получения стабилизированного коллоидного раствора магнетита впервые была предложена в работе [19], а в настоящее время синтезированы магнитные жидкости, на порядок превосходящие по своим магнитным свойствам золи, исследованные в [19].

Дисперсной фазой в магнитных жидкостях являются металлические частицы или частицы феррита, чаще всего используется магнетит. Кубическая шпинель Рез04 является ферримагнетиком при температуре ниже 858 К. Наиболее распространенный путь получения таких частиц -

<} I Ii

действие оснований на раствор смеси молей железа (Fe и Fe ) в инертной атмосфере. Так, при добавлении водного раствора аммиака к раствору FeCb и FeCb (1:2) образуются наночастицы [21].

В качестве несущих сред берутся различные немагнитные жидкости: вода, керосин, толуол, парафин, кремнийорганические жидкости. Устойчивость МЖ достигается высокой дисперсностью коллоидных частиц и применением в качестве стабилизатора

высокомолекулярных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Наиболее распространенным стабилизатором магнетитовых част�