Проблемы тепло- и массопереноса в магнитных жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДДРСГВЕННЬШ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.ВЛОМОНОСОВА ИНСРПГУТ МЕХАНИКИ

* ¿РФ .у / -и -5» А / * х/ и * 7 / У $ - СУ

СТАВТОПОЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Симоновский Александр Яковлевич

ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В МАШИтаЬК ЖИДКОСТЯХ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

* '-/ ^ .^ науч^ консультант:

</ ПО

____

доктор физико-математических наук, профессор Гогосов В.В.

Москва - Ставрополь - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................10

ГЛАВА 1. ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС В МШШНЫК ЖИДКОСТЯХ. ОБЗОР

ЛИТЕРАТУРЫ.....-........21

1.1. Теплопроводность магнитных жидкостей.....21

1.2.Конвективный теплообмен в магнитных жидкостях . . 23

1.3.Теплообмен при кипении магнитных жидкостей ... 26

1.4.Тепло- и массоперенос при высокотемпературных процессах охлаждения твердых тел в магнитной жидкости. Краткое содержание диссертации . .....33

ГЛАВА 2. ТЕПЛООБМЕН И 1ЩЮДИШШКА ПРОЦЕССОВ ОХЛЩЦЕНИЯ ТЕЛ

ЩЛИЦЦРИЧЕСЮЙ ФОРШ В МШШНОЙ ЩЦЮСШ . . . 65

2.1. Экспериментальная установка и методика исследований . 65

2.2.Решение внешней обратной задачи теплопроводности при малых значениях критерия В1 (В1 ~ 0,1).....70

2.3.Формирование пристенного кипящего слоя в магнитной жидкости на вертикальном цилиндре в отсутствие магнитного поля.............79

2.4. Формирование пристенного кипящего слоя в магнитной жидкости на вертикальном цилиндре в магнитном поле, перпендикулярном образующей цилиндра.....86

2.5.Образование локальных паровых полостей в магнитной жидкости вблизи поверхности охлаждаемого цилиндра при включенном магнитном поле.........93

2. б. Экспериментальное моделирование процесса возникновения локальных паровых полостей вблизи поверхности цилиндра ...............98

2.7.Теоретический анализ формы полостей в магнитной жидкости у поверхности цилиндра...........104

ГЛАВА. 3. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЩЛИНДРЕ ПРИ ОХЛЩЦЕНИИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ...............111

3.1. Экспериментальная установки и методика измерений . 111

3.2.Формирование пристенного кипящего слоя на поверхности цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости, при значениях критерия Bi ~ 1.......... 114

3.3.Численное решение задачи о распределении температуры в объеме цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости 119

3.4. Распределение термических напряжений в цилиндре, охлаждаемом в магнитной жидкости. Математическая модель ................127

3.5. Распределение термических напряжений в цилиндре, охлаждаемом в магнитной жидкости. Обсуждение результатов расчетов.............133

3.6.Остаточные деформации цилиндра, подверженного охлаждению в магнитной жидкости.........136

ГЛАВА 4. ТЕПЛООБМЕН ШАРА С МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ .... 139

4.1.Влияние магнитного поля и типов магнитных жидкостей на тепломассоперенос при охлаждении шара в магнитных жидкостях . .............139

4.2. Распределение формы свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности намагничивагацегося шара. Эксперимент..............154

4.3.Теоретический анализ формы свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности намагничивающегося шара................156

4.4. Распределение сил, действующих в магнитной жидкости, окружаоцей намагничивагадийся шар, в магнитном поле . 161

4.5. Распределение температуры на поверхности шара при его охлаждении в магнитной жидкости в приложенных магнит-

ных полях. Эксперимент..........167

4.6.Решение задачи о распределении температуры внутри пара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитном поле . 176

4.7.Влияние размеров шара на интенсивность его охлаждения в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности..............179

ГЛАВА 5. ТЕПЛООБМЕН ПЛАСТИНЫ С МШШНОЙ ЖШОСТЫО ... 184

5.1. Распределение магнитной жидкости в окрестности намагничивающейся пластины..........184

5.2.Теоретическое описание формы свободной поверхности магнитной жидкости, окружающей намагничивающуюся пластину, во внешнем магнитном поле......194

5.3.Влияние размеров пластины на характер распределения магнитной жидкости вблизи поверхности пластины . . 205

5.4 .Температурные интервалы различных режимов кипения магнитной жидкости на поверхности намагничивающейся пластины...............209

5.5.Определение параметров теплопереноса при охлаждении пластины в магнитной жидкости. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов . . 217

5.6. Результаты измерения интенсивности охлаждения в магнитной жидкости различных точек поверхности пластины, ориентированной параллельно направлению внешнего магнитного поля.............221

5.7. Распределение термических напряжений в пластине, охлаждаемой в магнитной жидкости.......234

ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЧАСТОТУ ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПАРА ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ...............

6.1.Введение ...............

242 242

6.2.Выбор и обоснование метода измерений частоты образования пузьрьков пара при пузырьковом кипении магнитной жидкости.............243

6.3.Описание установки для измерения частоты образования

пузьрьков пара в магнитной жидкости в магнитном поле 250

6.4.Методика проведения измерений частоты образования пузьрьков пара в магнитной жидкости в магнитном поле . 253

6.5.Результаты экспериментов по измерению частоты образования пузьрьков пара в магнитной жидкости .... 254

б. б. Возможная интерпретация экспериментов.....259

ГЛАВА 7. ЗАКАЛКА СТАЛИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ.....262

7.1.Выбор образцов стали, методика проведения закалки и анализа структуры и свойств закаленной стали . . . 262

7.2.Твердость и структура доэвтектоидной стали после закалки в магнитной жидкости.........266

7.3.Закалка эвтектоидной и низколегированной сталей в

магнитных жидкостях...........274

7.4.Закалка стальных пластин в магнитной жидкости . . 284

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................287

ЛИТЕРАТУРА

292

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ат - температуропроводность

В - индукция магнитного поля С - объемная теплоемкость

О»,Су - теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме с - константа

Он - диаметр пузырьков пара по Фритцу Е - модуль Юнга Ра - сила Архимеда К - поверхность

/ - частота образования пузырьков пара /ф - фиктивная плотность источноков тепла /п - функция распределения температуры в шаре

/ш-магнитная сила

£ - ускорение свободного падения

Н - напряженность магнитного поля

Нк - напряженность магнитного поля на бесконечности

Н0 - напряженность внешнего приложенного магнитного поля Н^Нг.Н^Н^Ну.Н^Н^Н^ - компоненты магнитного поля в различных

системах координат Ь - линейный размер, в частности шаг расчетной сетки по линейной

координате, высота пластины, высота катушки ¡, ], к - индексы

Л - частота флуктуационного зародьшеобразования К - изотермический модуль упругости к - константа

Ь - линейный размер тела, в частности, высота цилиндра, длина пластины

М - намагниченность <

М8 - намагниченность насыщения

Мп - нормальная к поверхности составляющая вектора намагниченности т - темп охлаждения

N - порядковое значение числа, в частности, предельный номер узла расчетной сетки, число витков катушки п - единичный вектор нормали Р - давление Ру - тензор напряжений

Ргг, р<рф, Ргф, Ргг, Рхх, Руу, Рху - компоненты тензора напряжений в

различных системах координат

ц - удельный тепловой поток (¡кр- критический тепловой поток

К - радиус пузырька, цилиндра, шара Кф - критический радиус пузырька Кл,Кг - главные радиусы кривизны г, г - радиус-вектор, полярная координата гУ- теплота испарения Т - температура

- температура стенки Тб - температура насыщения жидкости 1! - температура жидкости

Тф - предельная температура перегрева жидкости Т' - истинная скорость охлаждения Т' - средняя скорость охлаждения

( - линейный размер тела, в частности, высота пластины ц - вектор смещения

иц - тензор деформаций, выраженный через вектор смещения

V - объем

V - скорость движения жидкости

Vi , щ - компоненты вектора смещения

W- дополнительная комплексная плоскость

х, у, z - декартовы координаты

а - коэффициент теплоотдачи

|3р - коэффициент теплового расширения

А - символ приращения функции, смещения точки и т.п.

8¡j - символ Кронекера

Sij - тензор деформаций

Сгг, 8Г(р, Sqxp, Ezz ~ составляющие тензора деформаций в полярной системе координат

С, - вспомогательная комплексная плоскость rj - вязкость жидкости

r¡\ £ - координаты повернутой декартовой системы координат 0 - краевой угол

©г - разность температур, в частности, избыточная температура тела

0 - полярный угол в сферической системе координат X - теплопроводность ц - магнитная проницаемость

jiii, jiii, jj,sp, juiv - магнитные проницаемости цилиндра, жидкости, шара, пара

jlio - магнитная постоянная

|js - изотермический модуль упругости

v - кинематическая вязкость жидкости

р - плотность

pin - плотность магнетита

р1 - плотность жидкости

ру - плотность пара

рт/ - плотность магнитной жидкости

2 - поверхность

ст - поверхностное натяжение

Ош - поверхностная плотность фиктивных магнитных зарядов сйз - коэффициент Пуассона

т - время, шаг по времени в численных расчетах Ъш - время развития конвективных течений ф - полярный угол

(рр- скалярный потенщал магнитного поля фю - объемная концентрация магнитной фазы X - магнитная восприимчивость жидкости ¥ - безразмерная функция потока магнитного поля

Коэффициента полиномов А^Вп - коэффициенты ряда Фурье Ся^ГХтт ~

коэффициенты многочленов Лежандра вп, Ьь, Сп, Яшп, Ьт, Оп, рп, Уп, & - коэффициенты прочих полиномов

Операторы

А - оператор Лапласа V - оператор Гамильтона

Критерии

и- ~ т*

В1 = — - критерии Вио X

Принятые сокращения

ПАВ - поверхностно-активные вещества

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы и направление исследований. Магнитные жидкости - искусственно синтезированньв сильно намагничивающиеся жидкие среда. Они представляют собой коллоидную взвесь ферро- или ферримагнитных частиц в жидком носителе. Размер коллоидных частиц порядка 100 ангстрем. Дисперсионной средой, вообще говоря, может служить любая жидкость. Наиболее распространенными дисперсионными средами являются вода, керосин, кремнийорганические масла и жидкие металлы. Для стабилизации системы используются различные поверхностно-активные вещества, как правило, жирньвэ кислоты.

Создание магнитных жидкостей обычно относят к середине 60-х годов и связывают с именем американского исследователя Р.Розенцвейга. Его группа работала над созданием намагничивающихся добавок к жидкому ракетному топливу для управления подачей топлива к двигателям ракет в условиях невесомости. Однако, по разньм причинам данное применение магнитных жидкостей не имело успеха. Но уникальные свойства, которыми наделена магнитная жидкость, оказались полезными в самых разнообразных отраслях науки, техники и медицины. Причем, с кавдьм годом открываются все более широкие перспективы использования магнитных жидкостей. Они уже нашли применение в уплотнителях, демпферах, тепло- и массообменных аппаратах, в мэдицине - для на-правленого транспорта' лекарств в организме человека, в экологии -для очистки сточных вод от различного рода загрязнений и т.д.

Уже около сорока лет шгнитные жидкости являются объектом интенсивных исследований ученых многих стран мира. Достаточно сказать, что ежегодно в разных странах мира проводятся различного рода научные форумы, посвященньв проблемам магнитных жидкостей. Вьшло в свет около десяти [1-10] монографий и крупных обзорных статей, рассматривающих различные аспекты физико-химии, механики, реологии, оптики, тепло- и массопереноса в магнитных жидкостях.

В настоящее время исследованы магнитныэ свойства магнитных жидкостей. Изучено влияние магнитного поля на гидродинамику и теплооб-

мен в потоках магнитной жидкости в каналах различной конфигураций-К числу наиболее исследованных процессов тепло- и массопереноса в магнитных жидкостях относятся диффузия магнитных частиц, кондуктив-ныи и конвективный механизмы теплообмена.

Тепло- и массоперенос, сопровождаемый фазовым переходом - теплообмен при кипении магнитной жидкости - оставался практически не изучен до начала 80-х годов. К этому времени и относятся первые исследования, положенные автором в основу данной работы. Интерес к изучению теплофизики кипения был обусловлен предложением, сделанным автором настоящей работы совместно с В.В.Чекановьм - о применении магнитной жидкости в качестве охлаждакщей среды для оптимизации высокотемпературных процессов, например, таких как закалка стали (авторское свидетельство СССР № 985076. Заявл.26.05.81, № 3294878/2202; опубл. 30.12.82 в В.И., 1982, № 48). Известно большое число разнообразных закалочньк сред: вода, водные растворы солей, щелочей, водорастворимье полимеры, масла, водно-масляные эмульсии и другие среда. Существование большого числа разнообразных закалочных сред вызвано широким диапазоном критических скоростей закалки для сталей с различным содержанием углерода и легирующих элементов. Кроме того, специфика хода фазовых превращений при закалке каждой отдельной марки стали и особенности охлаждения, обусловленные различной конфигурацией изделий, приводят к необходимости управления закалочным охлаждением даже при использовании наиболее оптимальной закалочной среда. Однако, существующие способы управляемого закалочного охлаждения: закалка под избыточным регулируемьм давлением, разновидности струйного охлаждения - душевое, спрейерное и др. являются эффективные, как правило, только при закалке достаточно крупных изделий. При закалке же мелких они становятся малопригодными в силу своей инерционности.

Актуальность решения научных и технических задач в области закалочного охлаждения определяется также отсутствием эффективных методов управления нестационарными полями, текущих и остаточных напряжений закаливаемых изделий. Например, известно, что наличие случай-

ньм образом распределенных на поверхности закаливаемого изделия лр-кальных паровых пленок приводе! к различного рода деформациям детали. Это обусловлено неравномерностью охлаждения, а следовательно, и неблагоприятным распределением термических и фазовых напряжений в изделии. Однако целенаправленное удержание локальных паровых пленок на одних участках поверхности и устранение их на других по заданной схеме позволило бы управлять распределением термических напряжений и при необходимэсти получать локально-неоднородную структуру в отсутствие деформаций. Подобные эффекты не реализуются известными способами охлаждения. Однако, как будет показано в данной работе, их можно осуществить в магнитной жидкости.

В данной работе впервые предложено использование магнитной жидкости в качестве закалочной среды. Приводятся результаты экспериментального и теоретического исследования терюгидродинамических процессов, сопрововдакших закалочное охлаждение в магнитнои жидкости. Описаны впервье обнаруженные в процессе охлаждения твердых тел в жидких средах регулярно расположенные локальные паровоздушные образования на поверхности твердых тел, охлаждаемых в магнитной жидкости. Показано, что форда, объем, а также расположение паровоздушных полостей вблизи поверхности охлаждаемых твердых тел в магнитной жидкости определяется геометрией охлаждаемого тела, величиной и направлением приложенного магнитного поля. Особое внимание уделяется выяснению физической природы и механизмом формирования паровоздушных полостей.

Предлагаются математические модели, описывающие паровоздушные полости вблизи поверхности тел простой геометрической формы, смы-ваезуых магнитной жидкостью. Результаты расчетов, проведенных с использованием этих мэделей, подтверждаются многочисленными экспериментами. Экспериментально и теоретически изучено влияние неоднородного охлаждения, обусловленного образованием паровоздушных полостей, на температурные поля и поля термических напряжений охлаждаемых в шгнитной жидкости твердых тел.

Подробно изучается влияние магнитного поля на процессы пузьрь-

кового кипения магнитных жидкостей. Приводятся результаты экспериментального исследования влияния змагнитного поля на частоту образования пузырьков пара при пузырьковом режиме кипения магнитных жидкостей.

Важность данного вопроса определяется тем, что период охлаждения твердых тел в магнитной жидкости, сопровождаемом пузырьковым кипением охлажцакщей среды, приходится на температурный интервал основного превращения в сталях при закалке - мартенсигного превращения.

В работе приводятся данные по структуре и свойствам инструментальных сталей, подвергнутых закалке в магнитной жидкости, подтвердившие эффективность применения магнитных жидкостей для решения перспективных задач управляемого закалочного охлаждения.

Актуальность изучения термои4дродинамических процессов при кипении магнитных жидкостей подтверждалась на протяжении многих лет большим интересом государственных координационных программ к прово-димьм в этой об