Теплообмен при кипении намагничивающихся нанодисперсных жидкостей на неограниченной поверхности в однородном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Яновский Александр Александрович

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА НЕОГРАНИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

005540110

Ставрополь - 2013

005540110

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Института математики и естественных наук ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Научный руководитель: Симоновский Александр Яковлевич

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты: Борлаков Хиса Шамилович,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказская государственая гуманитарно-технологическая академия» (г. Черкесск), профессор кафедры физики

Созаев Виктор Адыгеевич,

доктор физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)» (г. Владикавказ), заведующий кафедрой физики

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный

университет» (г. Курск)

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г. в 15— час. на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. X. М. Бербекова по адресу: 360004, КБР, г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КБГУ по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, корпус 1.

Автореферат разослан 16 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.076.02, д.ф.-м.н., профессор A.A. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Жидкие намагничивающиеся среды, представляющие собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему, были синтезированы в 60-х годах прошлого века, и в настоящее время широко известны как магнитные жидкости (МЖ). Дисперсионной средой в МЖ является, как правило, керосин, толуол, кремнийорганические масла или вода. В качестве дисперсной фазы может выступать железо, кобальт, никель, магнетит и т.д. Особенностью МЖ является их уникальная способность сочетать высокую намагниченность в магнитных полях при сохранении ими текучести. За более чем полувековую историю изучения магнитных жидкостей были достаточно хорошо исследованы их магнитные, электрические, оптические и теплофизические свойства. Однако влияние магнитных полей на теплообмен при кипении МЖ остается малоизученной областью теплофизики кипения жидких намагничивающихся нанодисперсных сред. Между тем, особый интерес представляет исследование теплообмена при стационарном кипении МЖ. Это связано с перспективой применения их в качестве управляемой при помощи магнитного поля закалочной среды, а также с возможным применением в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и тепловых устройствах. Таким образом, изучение теплообмена при кипении магнитной жидкости, а также физических процессов, определяющих его интенсивность, в настоящее время является актуальным и представляет общенаучный и прикладной интерес.

Степень разработанности темы диссертации.

В литературе встречается небольшое число работ посвященных проблемам теплообмена при кипении намагничивающихся жидкостей. Причем большая часть работ в области теплофизики кипения магнитных жидкостей посвящена охлаждению и закалке тел, вопросы же стационарного кипения являются практически не исследованными. Так остаются открытыми вопросы влияния магнитных полей на частоту образования, скорость роста пузырьков пара, плотность центров парообразования и т.д.

В настоящее время не существует аналитической теории теплообмена при кипении даже обычных жидкостей. При описании процесса кипения МЖ ситуация усложняется тем, что помимо общих для всех жидкостей факторов, влияющих на теплообмен, необходимо учитывать эффекты связанные с действием магнитного поля.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование влияния однородного постоянного магнитного поля на процесс теплообмена при стационарном кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

— Разработать и создать автоматизированную установку для измерения тепловых потоков при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.

- Экспериментально и теоретически исследовать влияние внешнего однородного постоянного магнитного поля на тепловой поток при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности.

- Разработать методику измерения частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на горизонтальной поверхности и экспериментально изучить влияние внешнего однородного постоянного магнитного поля на частоту образования пузырьков пара.

- Экспериментально изучить влияние концентрации магнитной фазы на процесс теплообмена и частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.

- Провести экспериментальное моделирование процесса роста и отрыва пузырька пара во внешнем однородном постоянном магнитном поле. Получить теоретическую зависимость формы и объема пузырька пара от величины напряженности внешнего однородного постоянного магнитного поля.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- Впервые экспериментально изучено влияние однородного постоянного магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности. Обнаружено, что магнитное поле приводит к более чем полуторакратному увеличению удельного теплового потока к магнитной жидкости.

- Получено уравнение, описывающее влияние магнитного поля на процесс теплообмена при кипении магнитной жидкости, учитывающее силовые факторы, действующие на пузырек пара в магнитном поле.

- Впервые разработана экспериментальная установка и предложена методика с использованием двухслойной среды для измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей.

- Впервые экспериментально найдена зависимость частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности от температуры стенки нагревателя и от напряженности однородного магнитного поля. Показано, что магнитное поле приводит к более чем двукратному уменьшению частоты образования пузырьков пара.

- Впервые экспериментально исследовано влияние однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении двухслойной среды магнитная-немагнитная жидкость. Найдено, что интенсивность влияния магнитного поля на теплообмен в двухслойной среде, в 1,5-2 раза меньше, чем при кипении однослойной магнитной среды.

- Впервые осуществлено экспериментальное и теоретическое моделирование влияния однородного магнитного поля на форму, объем и частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости. В результате чего подтверждена справедливость предложенной физической модели влияния магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности.

Теоретическая и практическая ценность диссертации заключается в развитии физических представлений о воздействии магнитных полей на процессы тепло- и массопереноса в жидких намагничивающихся средах и получении данных, подтверждающих эффективность использования МЖ в технологии управляемого закалочного охлаждения, а также при проектировании и создании теплообменных устройств с магнитной жидкостью в качестве теплоносителя.

Настоящая диссертационная работа, выполненная в 2009-2012 годах, была поддержана грантом РФФИ Института механики МГУ № 11-01-00051-а.

Методология и методы исследования.

В работе использованы как экспериментальные, так и математические методы и подходы. В том числе оптические, электромагнитные, тепловые методы, а также методы прикладной математики и информатики. Кроме того, в работе предложен и реализован метод двухслойной среды для измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных сред.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

- Результаты экспериментов по изучению влияния внешнего однородного постоянного магнитного поля на теплообменные процессы при кипении магнитной жидкости на горизонтальной неограниченной поверхности с точечным подводом тепла, показавшие значительное влияние величины напряженности внешнего магнитного поля на изменение удельных тепловых потоков.

- Методика измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей.

- Результаты экспериментов по изучению влияния внешнего однородного постоянного магнитного поля на частоту отрыва пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла, обнаружившие зависимость частоты образования пузырьков пара и температуры начала образования пузырьков пара от величины напряженности и направления внешнего магнитного поля, а также от концентрации магнитной фазы в жидкости.

- Результаты теоретического анализа влияния однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла и полученное в результате анализа выражение для удельного теплового потока, учитывающее пондеромоторные силы, действующие на пузырек пара, и показавшее, что влияние магнитного поля на температуру кипения существенно сказывается на тепловом потоке.

- Результаты экспериментального и теоретического моделирования процесса роста и отрыва пузырька пара во внешнем однородном постоянном магнитном поле при кипении магнитной жидкости, позволившие установить зависимость формы и объема пузырька пара от напряженности и направления внешнего однородного магнитного поля.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют формуле специальности

01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника», включающей теоретические и экспериментальные исследования свойств веществ в жидком, твердом и газообразном состоянии при наличии всех видов тепло- и массообмена во всем диапазоне температур и давлений, магнитную гидродинамику электропроводных сред и т.д. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1 и 2 областей исследований паспорта специальности 01.04.14 — «Теплофизика и теоретическая теплотехника» для физико-математических наук.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведением измерений с помощью стандартных приборов и оборудования; статистической обработкой результатов многочисленных экспериментов и анализом погрешностей измерений; использованием в теоретическом анализе известных из теории кипения обычных жидкостей положений, качественным совпадением результатов проведенных экспериментов и предложенных для их описания математических зависимостей, непротиворечивостью результатов работы и основных положений теплофизики кипения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на кафедрах теоретической и общей физики Северо-Кавказского федерального университета в 2009-2012 годах, а также были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и форумах: Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (Волгоград 2010 г.), X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011 г.), Международный симпозиум по магнетизму MISM 2011 (г. Москва 2011г.), X Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), 15-я Международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям (г. Плес, 2012 г.), Российская конференция по магнитной гидродинамике (г. Пермь, 2012 г.), Ill и IV Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (г. Ставрополь, 2011 и 2013 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ. В том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 16 работ в сборниках и трудах Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 120 наименований. Общий объем диссертации 149 страниц, содержащих 47 рисунков и 1 таблицу.

Личный вклад автора. Лично автором проведены все экспериментальные исследования и теоретические расчеты. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи, показана новизна научной работы и приведены основные положения, выносимые на защиту. Дана краткая аннотация разделов диссертации.

В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных теплообмену в намагничивающихся нанодисперсных жидких средах. Значительное внимание уделено работам, в которых изучаются процессы нестационарного теплообмена при кипении МЖ. Приведены сведения о различных аспектах тепло- и массообмена в кипящих МЖ. Проанализирован ряд работ, в которых исследуется нестационарное кипение магнитной жидкости на телах простой геометрической формы в магнитных полях различной напряженности. Приводятся данные, которые говорят о возможности использования МЖ в качестве закалочных сред для управляемых процессов закалки. Глава закончена анализом литературного обзора, и постановкой задач, решаемых в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности в однородном постоянном магнитном поле различного направления.

В первом параграфе описан объект исследования - магнитная жидкость «магнетит в керосине» и физические характеристики полученных на ее основе 3 образцов жидкости, различающихся содержанием дисперсной магнитной фазы.

Во втором параграфе описана экспериментальная установка (рис.1), созданная для получения зависимостей удельного теплового потока от температуры теплоотдающей горизонтальной поверхности и методика проведения экспериментов по изучению влияния однородного постоянного магнитного поля на процесс теплообмена при кипении МЖ.

Экспериментальная установка представляет собой цилиндрический контейнер (1), выполненный из кварцевого стекла и установленный на теплоотдающей стальной немагнитной пластине (2), на которой происходило кипение, исследуемого образца магнитной жидкости (3). Тепло подводилось к центральной части пластины точечно, стержнем (4) диаметром 4 мм. Вдоль стержня на расстоянии 5 мм друг от друга устанавливались спаи двух хромель-копелевых термопар (5), при помощи верхней термопары фиксировалась температура теплоотдающей поверхности, на основе показаний обеих термопар можно было судить о тепловом потоке, передаваемом к жидкости. На теплоподводящем стержне устанавливался электронагреватель (6) с бифилярно выполненной обмоткой. Данная экспериментальная установка помещалась в однородное постоянное магнитное поле катушек Гельмгольца (7). Сигналы термопар регистрировались при помощи компьютера (8) оснащенного платой аналого-цифрового преобразователя.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

В третьем параграфе приведены результаты экспериментального исследования влияния однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении для 3 образцов магнитной жидкости - МЖ №1, МЖ №2 и МЖ №3, объемная концентрацией магнитной фазы (р которых, составляла 12 %, 8 % и 5,5% соответственно. Намагниченность насыщения образцов МЖ: 47,1; 32,3 и 20,6 кА/м. Исследования проводились для двух взаимно перпендикулярных направлений магнитного поля -

А

4,кВт/м2 _ вертикального и горизонталь-

ного.

На рис. 2 представлены зависимости удельного теплового потока, поступающего к магнитной жидкости, от температуры теплоотдающей поверхности в различных по напряженности горизонтальных магнитных полях, полученные для образца МЖ №1. Зависимости получены в магнитных полях напряженностью: ♦ — 0 кА/м, в - 0,7 кА/м, а - 1,4 кА/м, х — 2,1 кА/м, ж — 2,8 кА/м в - 3,5 кА/м, + - 4,2 кА/м. Из рисунка видно, что зависимости удельного теплового потока от температуры теплоотдающей поверхности, имеют немонотонный характер. В интервале температур 120-130 °С кривые достигают максимума теплоотдачи, причем величина удельного теплового пото-

350

200

60 80 100 120 140 160

Рис. 2. Зависимость удельного теплового потока £/ от температуры г горизонтальной поверхности для МЖ№1 в горизонтальном магнитном поле.

<;. кВт/и2

Ал?

200

1,°С

60 80 100 120 140 160

Рис. 3. Зависимость удельного теплового потока (] от температуры I горизонтальной поверхности для МЖ№2 в горизонтальном магнитном поле.

ка, в данном интервале, немонотонно изменяется с увеличением напряженности магнитного поля.

Зависимости удельного теплового потока от температуры теплоотдающей поверхности для образца МЖ №2 в горизонтальном магнитном поле показаны на рис. 3. Обозначения точек на рис. 3 аналогично обозначениям рис. 2. Из сравнения рисунков можно сделать вывод о том, что величина влияния магнитного

поля на удельный тепловой поток убывает с уменьшением концентрации магнитной фазы.

На рис. 4 представлены зависимости, полученные для образца МЖ №3 в горизонтальном магнитном поле. Как и для первых двух образцов поведение зависимостей немонотонно. Максимум теплового потока кривыми достигается в интервале температур 115-120 °С, однако его величина в данном интервале, с точностью до величины ошибки, не зависит от напряженности магнитного поля. При более высоких температурах теплоотдающей поверхности - 140-150 С, наблюдается влияние магнитного поля на величину теплового потока. Это может быть связано с локальным увеличением концентрации магнитной фазы образца МЖ №3 в пограничном слое жидкости при данных температурах.

Таким образом, установлено, что степень влияния однородного магнитного поля на величину удельного теплового потока убывает с уменьшением концентрации дисперсной фазы в жидкости.

Из приведенных рисунков следует, что влияние магнитного поля на тепловой поток немонотонно. Для более детального рассмотрения этой немонотонности, на приведенных графиках при фиксированных значениях температуры теплоотдающей поверхности выделялись значения удельного теплового потока, полученные при разных значениях напряженности магнитного

Й(1 ХО 100 170 140 160 ПОЛЯ.

Рис. 4. Зависимость удельного теплового пото- На Рис- 5, показаны за-

ка q от температуры / поверхности нагревателя висимости удельного тепло-для МЖ№3 в горизонтальном магнитном поле. вого потока от напряженности горизонтального магнитного поля для образца МЖ №1 в интервале температур 120-145 "С. Из графика видно, что в интервале температур 120-130° максимум теплового потока достигается при напряженности магнитного поля 0,7 кА/м.

Эксперименты показали, что в вертикальном магнитном поле ход зависимостей аналогичен тем, что наблюдались в горизонтальном магнитном поле. Но степень влияния вертикального магнитного поля меньше, чем в горизонтальном в 1,5-2 раза.

В работе дается объяснение немонотонности зависимостей удельного теплового потока от температуры теплоотдающей поверхности. С ростом температуры стенки нагревателя растет частота образования пузырьков пара. Это приводит к росту теплового потока. Одновременно, с ростом температуры поверхности увеличивается и площадь контакта пузырька пара с теплоотдающей поверхностью, что в последующем ухудшает отток тепла от поверхности.

((. кВт/м2

500

як гй *

1,°С

250

400 •

550 -„ . >

Я, кН г-ч

Рис. 5. Зависимости удельного теплового потока д от напряженности внешнего однородного горизонтального магнитного поля Н образца МЖ №1, для температур теплоот-дающей поверхности: 1 - 120 °С, 2-130 °С; 3 — 135 °С; 4 - 140 °С.

о

1

2

3

П. к'А м

4

Для объяснения немонотонной зависимости теплового потока от величины напряженности внешнего магнитного поля предложена физическая модель влияния магнитного поля на теплообмен при кипении МЖ. Воздействие магнитного поля на пузырьки пара, растущие на теплообменной поверхности в МЖ, приводят к изменению их объема, что влияет на количество пара отводимого от теплообменной поверхности, и, как следствие, на интенсивность теплоотвода. Одновременно с этим, в зависимости от направления по от-

ношению к теплообменной поверхности, силовое воздействие магнитного поля увеличивает или уменьшает площадь контакта пузырьков пара с теплообменной поверхностью, что с ростом поля все более сказывается на теплообменных процессах. При уменьшении площади контакта, поверхность лучше омывается жидкостью, и отток тепла возрастает, увеличение площади приводит к обратному эффекту. В зависимости от превалирующего при данном значении напряженности магнитного поля факторе, происходит либо интенсификация теплообмена, либо подавление. Силы, действующие на паровые пузырьки в МЖ, обсуждаются ниже.

В четвертом параграфе проведен теоретический анализ влияния магнитного поля на теплообмен при пузырьковом кипении МЖ.

В пограничном слое МЖ температура близка к температуре теплообменной поверхности, по мере удаления от поверхности она уменьшается до температуры ядра жидкости. Намагниченность магнитной жидкости подчиняется закону Ланжевена:

где М3 — намагниченность насыщения магнитной жидкости, М — текущее значение намагниченности жидкости, ц0 - магнитная постоянная, т - магнитный момент одной магнитной частицы дисперсной фазы; к — постоянная Больцмана; Т — температура магнитной жидкости. Таким образом, если МЖ находится в неоднородном магнитном поле, то на пузырек пара действует объемная сила Рш = /л0(МУ)Н, обусловленная градиентом напряженности внешнего магнитного поля, а также сила /<М2 = //0 (ЯУ)А-/, возникающая за счет градиента намагниченности, направление которого противоположно направлению гради-

0)

ента температуры в МЖ. В однородном магнитном поле действуют те же силы, но Рм 1 обуславливается не внешним магнитным полем, а неоднородностью поля, возникающего за счет градиента намагниченности в МЖ.

С учетом объемных сил , и Км 2, в работе получено выражения для минимальных перегревов при закипании МЖ, находящейся во внешнем магнитном поле:

2о-,еУя_

А Т=-

(2)

ЬЩрт,-ра)ё±м0{МУ)Н + Ио{НУ)М) Здесь Г, - температура насыщения, И - теплота испарения, а — поверхностное натяжение, Я - радиус парового пузырька, ра - плотность пара, рт1 - плотность магнитной жидкости.

На основе приближенной теории теплообмена, разработанной Лабунцо-вым Д.А. и развитой Яговым В.В. [1], в работе, с учетом (2), получено выражение для удельного теплового потока, поступающего к кипящей МЖ в магнитном поле:

д = С

~ к2у~ 1/2 Яр03 3/2 -

_сг4 _ _2 Г, (Я)

(3)

кВт/м2

. (Ры ~ Ра )ё ± Мо (А/V) # + Мо СНУ)М

Здесь V - кинематическая вязкость магнитной жидкости, X - теплопроводность.

На рис. 6 представлен график, на котором изображены зависимости удельного теплового потока от температуры теплоотдающей поверхности, полученные

по формуле (3) для различных значений напряженности однородного магнитного поля. Можно отметить, что полученные зависимости удовлетворительно описывают наблюдаемое в эксперименте изменение величины удельного теплового потока под действием однородного постоянного магнитного поля при пузырьковом режиме кипении магнитной жидкости на горизонтальной плоскости. Обнаружено, что в модели (3), увеличение температуры насыщения ТХ(Н) с ростом напряженности магнитного поля существенно

5 * ><; ж: *

I, ч:

ПО 120 130

Рис. 6. Зависимости удельного теплового потока <7 от температуры теплоотдающей поверхности рассчитанные по формуле 4. ♦ -О кА/м, ■ - 0,7 кА/м, А - 1,4 кА/м, х - 2,1 кА/м, ж - 2,8 кА/м ® - 3,5 кА/м, + - 4,2 кА/м

сказывается на величине удельного теплового потока.

В третьей главе приводятся результаты измерения частоты образования пузырьков пара и исследования теплообмена при кипении двухслойной среды магнитная-немагнитная жидкость. Предложена и реализована методика измерения частоты образования пузырьков пара в кипящей магнитной жидкости при помощи двухслойной среды.

Рис. 7. Пузырек пара на границе раздела магнитная жидкость-вода.

В первом параграфе описывается, предложенная в работе методика измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей при помощи двухслойной среды. Поверх непрозрачной магнитной жидкости наливался слой воды, что позволяло визуализировать процессы всплытия пузырьков пара на границе раздела сред. Процесс движения пузырька пара в прозрачном слое фиксировался на камеру высокоскоростной видеосъемки, со скоростью съемки 600 кадров/сек. На рис. 7 приведена фотография пузырька пара, проходящего границу раздела магнитная жидкость-вода. Количество пузырьков, проходящих границу раздела в единицу времени определялось путем покадрового подсчета.

Во втором параграфе приведены результаты измерения частоты образования пузырьков пара. На рис. 8 показаны зависимости частоты от температуры теплоотдающей поверхности, полученные для образца МЖ №2 в горизонтальном магнитном поле. Из графика видно, что при фиксированном значении температуры теплоотдающей поверхности частота образования пузырьков пара с увеличением напряженности магнитного поля уменьшается на величину 1,5 до 2 раз.

Для всех исследованных образцов магнитной жидкости наблюдались общие закономерности влияния магнитного поля на частоту образования пузырьков пара и температуру, при которой начинался процесс образования пузырьков пара. Установлено, что с увеличением напряженности магнитного поля образование пузырьков пара начинается при более высоких температурах теплоотдающей поверхности. Обнаружено, что увеличение напряженности магнитного поля, как вертикального, так и

¡, Не

Рис. 8. Зависимость частоты парооборазова-ния / от температуры теплоотдающей поверхности Г для образца МЖ№2. 1 - 0 кА/м; 2- 0,7 кА/м; 3-1,4 кА/м; 4-2,1 кА/м; 5 -2,8 кА/м; 6 - 3,5 кА/м; 7 - 4,2 кА/м.

горизонтального направления при фиксированном значении температуры теплоотдающей поверхности приводит к уменьшению частоты образования пузырьков пара.

В третьем параграфе приведены результаты экспериментального исследования теплообмена в двухслойной среде. На рис. 9 показан график зависимости теплового потока от температуры теплообменной поверхности, полученный при кипении двухслойной среды с образцом МЖ №1 в горизонтальном маг-

q, кБт/м2

| » *l I 1

200

t,°C

нитном поле. Было обнаружено, что вид зависимости д(1)при кипении двухслойной среды такой же, как при кипении однослойной, однако, влияние магнитного поля на теплообмен в двухслойной среде оказалось менее интенсивным, чем при кипении магнитной жидкости без слоя воды. Это говорит о том, что процессы парообразования и процессы воздействия магнитных полей на частоту отрыва пузырьков пара при кипении двухслойной среды и магнитной жидкости слабо отличается.

60 80 100 120 140 160

Рис. 9. Зависимость удельного теплового потока q(t) при кипении двухслойной среды с МЖ№1 в горизонтальном магнитном поле. ♦ - 0 кА/м, ■ - 0,7 кА/м, Д-1,4 кА/м, х - 2,1 кА/м, ж - 2,8 кА/м 3,5 кА/м, + - 4,2 кА/м

В четвертом параграфе приводятся результаты экспериментов по определению скорости всплытия пузырьков пара в прозрачной части двухслойной среды - воде, в различных по напряженности магнитных полях. Оказалось, что скорость всплытия пузырьков пара от напряженности магнитного поля не зависит.

Четвертая глава посвящена экспериментальному и теоретическому моделированию процесса роста и отрыва пузырька пара от теплоотдающей горизонтальной поверхности в однородном постоянном магнитном поле.

При помощи фотографических методов, не представляется возможным проследить за процессом роста пузырька пара в объеме магнитной жидкости, так как магнитная жидкость становится прозрачной только при очень низкой концентрации дисперсной фазы, когда ее магнитные свойства практически исчезают. В работе предлагается использовать моделирование процессов роста и отрыва пузырьков пара в магнитной жидкости. Такая методика основана на аналогии между поведением пузырька пара в жидкости и капли жидкости, взвешенной в газе или другой несмешивающейся с ней жидкости [2].

В первом параграфе описывается экспериментальная установка, ее схема показана на рис. 10. В роли пузырька пара в экспериментах выступала капля магнитной жидкости, которая поступала под давлением через канал в немагнитной горизонтальной пластине и всплывала в прозрачной немагнитной жидкой среде. В качестве прозрач-

Рис. 10. Схема экспериментальной установки.

ной немагнитной жидкости использовался технический глицерин. Контейнер с магнитной жидкостью 1 подсоединялся к каналу 2 капиллярного размера (1 мм) в центральной части немагнитной горизонтальной пластины 3. К верхней части пластины был прикреплен стеклянный цилиндрический контейнер 4, в который наливался технический глицерин. Система сообщающихся сосудов 5 с водой служила для создания давления и при соединении ее с контейнером 1 подавала магнитную жидкость в канал 2 горизонтальной стальной пластины.

Под постоянным давлением магнитная жидкость через капиллярный канал поступала на поверхность пластины. Рост и отрыв капель МЖ происходил при включенном магнитном поле, а данный процесс фиксировался на видеокамеру высокоскоростной съемки.

Во втором параграфе приведены результаты экспериментов по изучению роста и отрыва капель МЖ, показавших, что однородное магнитное поле влияет на форму, размеры и объем капель МЖ, отрывающихся от горизонтальной поверхности. На рис. 11 представлены графики зависимости объема капли магнитной жидкости, в момент ее отрыва от горизонтальной пластины, от напряженности внешнего магнитного поля. Из данного графика видно, что с увеличением напряженности вертикального магнитного поля (кривая 1) объем отрывающейся капли убывает. Так, при напряженности магнитного поля 6 кА/м, объем капли становится на 50 % меньше, нежели в отсутствие внешнего магнитного поля. В горизонтальном магнитном поле(кривая 2) увеличение напряженности от 0 до 6 кА/м, напро-

V, • 10 • ш * —в-»— —1----в

с ' '

■" 1

^-♦

л и

е Н, кА/1» -Г-1 «

Рис. 11. Зависимость объема отрывающейся капли магнитной жидкости от напряженности внешнего магнитного поля. I — вертикальное магнитное поле, 2 — горизонтальное магнитное поле.

тив, приводит к увеличению объема отрывающейся капли МЖ на 16%. Объем капель рассчитывался по их снимкам в двух взаимноперпендикулярных проекциях методом поперечных сечений. Приведенные на рис. 11 фотографии показывают каплю МЖ сразу после ее отрыва от поверхности. Фотоснимок а соответствует капле магнитной жидкости в случае, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Фотоснимки Ь и с отражают изменение формы капли при изменении напряженности горизонтального магнитного поля от 3 до 6 кА/м соответственно. Кадры с/ п е показывают форму капли МЖ в вертикальном магнитном поле напряженностью 3 и 6 кА/м.

В третьем параграфе представлены результаты измерений частоты отрыва капли магнитной жидкости от величины давления в канале при разных значениях напряженности вертикального и горизонтального магнитного поля. Обнаружено, что частота отрыва капли (пузырька пара), при фиксированном значе-

9,4

ол ■

НИИ давлении в канале, может изменяться с увеличением магнитного поля до 2х

раз. Причем в горизонтальном магнитном поле частота отрыва капель МЖ уменьшается (рис. 12), а в вертикальном увеличивается.

Для оценки изменения площади контакта пузырька с теплообмен-ной поверхностью и периметра данной области в магнитном поле, был проведен эксперимент с каплей магнитной жидкости, находящейся в состоянии механического равновесия на горизонтальной поверхности. Через капиллярный канал в стальной немагнитной горизонтальной пластине подавался некоторый фик-

Я/с Л

А ^ 1

Р, кПа

12 3 4

Рис. 12. Зависимости частоты отрыва капли магнитной жидкости от давления в капиллярном канале. I - 0 кА/м, 2 -1,4 кА/м, 3 - 2,8 кА/м.

сированный объем магнитной жидкости. Форма капли регистрировалась фотокамерой сверху, включалось магнитное поле, напряженность которого медленно увеличивали. На рис. 12 представлены фотоснимки, показывающие каплю МЖ в различном по напряженности и направлению магнитном поле. Верхний ряд фотографий получен в вертикальном магнитном поле (силовые линии поля направлены перпендикулярно снимкам), нижний ряд в горизонтальном. На фотоснимках а показана капля магнитной жидкости без внешнего магнитного поля, фотоснимки Ь показывают каплю в магнитном поле напряженностью 3 кА/м, с - б кА/м. Верхний и нижний ряд снимков сделаны с разным увеличением.

При увеличении напряженности магнитного поля от 0 до 6 кА/м в вертикальном магнитном поле периметр области контакта капли с поверхностью уменьшается в 1,5 раза, а площадь в 2,3 раза. В горизонтальном поле периметр увеличился в 2 раза, а площадь в 3,5.

В четвертом параграфе проводится анализ результатов измерений полученных в экспериментах по моделированию. В работе дается объяснение результатов эксперимента. Условие механического равновесия капли МЖ, сидящей на твердой поверхности в глицерине, будет определяться равенством капиллярной силы, удерживающей ее на поверхности, и силы Архимеда, выталкивающей ее из объема глицерина: сг1 = ApgV, где а - коэффициент межфазного натяжения, / - периметр основания капли, Ар - разность плотностей глицерина и магнитной жидкости, % - ускорение свободного падения, V- объем капли МЖ. Отсюда следует, что объем капли V является однозначной функцией периметра основания капли / на по-

.................й.......... у. ШщтщЫя 4Й»

Рис. 13. Изменение размеров и формы капли магнитной жидкости в магнитном поле.

верхности пластины. Периметр основания капли на поверхности пластины зависит от величины приложенного магнитного поля. Поэтому при постоянном давлении в капилляре, подающем МЖ, время роста капли троста до отрывного размера будет изменяться с изменением величины приложенного магнитного поля.

Частота отрыва капли МЖ от поверхности определяется выражением /= 1 / (тожид + троста). Здесь хожид - время между моментом отрыва капли и зарождением новой, гроста — время роста капли до момента ее отрыва. В нашем случае тожид =сот1, так как МЖ поступает в капилляр при постоянном давлении, а Гр0ста зависит от периметра основания капли.

Внешнее магнитное поле, изменяя периметр / основания капли, изменяет и значение объема капли при котором она отрывается от поверхности пластины. Так как при постоянном давлении в капилляре будет изменяться время роста капли тТжста до достижения ею отрывного объема V, это будет приводить в свою очередь к изменению частоты отрыва капель МЖ. Таким образом, увеличение периметра основания капли / в горизонтальном магнитном поле приводит к возрастанию удерживающей силы и, как следствие, увеличению отрывного объема капли и уменьшению частоты отрыва капель. Напротив, уменьшение / в вертикальном магнитном поле, уменьшает величину удерживающей силы, увеличивая частоту отрыва капель.

Проведено теоретическое моделирование изменения формы капли под воздействием однородного магнитного поля. Показано, что в магнитном поле объем растущей капли и периметр области контакта капли с горизонтальной поверхностью может увеличиваться, что согласуется с результатами эксперимента.

Моделирование формы капли было проведено на основе уравнения, описывающего условие равновесия границы раздела намагничивающаяся жидкость-немагнитная среда во внешнем магнитном поле [3]:

п | __

Аpgz-^L¿0 I МсШ—/,10 (Мп)2 + а 9

_1_ А +

= С. (4)

2

"О

Здесь г - вертикальная координата точки на поверхности капли, отсчитываемая от нижней части капли, Я, и Я2 - радиусы кривизны поверхности раздела газ-жидкость, Цо - магнитная постоянная, п - единичный вектор нормали к межфазной поверхности, С - постоянная величина. Первое слагаемое в (4) — гидростатическое давление, второе и третье - давление, обусловленное магнитным полем и его скачок на поверхности раздела магнитная-немагнитная среда соответственно.

Рассмотрен случай, когда капля МЖ находится во внешнем однородном магнитном поле направленном горизонтально. Так как при больших высотах г капли ее форма слабо отличается от цилиндрической, то в этом случае можно допустить, что распределение магнитного поля на границе капли магнитной жидкости удовлетворяет соотношениям, справедливым для бесконечного цилиндра [4]:

//,„ = Я „

Л-1

НГ = Н0

к— + \

г

\ ' У

соз<р; к =

М, ~ и,

(5)

Здесь Ну и /7 - угловая и радиальная компоненты магнитного поля в цилиндрической системе координат, (р — полярный угол, отсчитываемый от направления внешнего магнитного поля Н0, К - радиус цилиндра, г - расстояние от оси цилиндра до точки, в которой определяются компоненты магнитного поля, ¡х — магнитная восприимчивость цилиндра, ¡и,- магнитная восприимчивость окружающей цилиндр среды. С учетом данного распределения поля (5), проекция уравнения (4) на плоскость хОг декартовой системы координат примет вид:

й г с1г :—т + — с!х ск

1 +

2 Л

(

Х + [сЬс)

- = 0,

(6)

на плоскость уОг

Д

2Ц'0Х2К (2 + х)1

У

( (

1+

1 с1у

V 4

3/2

с1г \

Ф) )

2\

= 0.

(7)

Уравнения (6) и (7), описывающие форму капли МЖ во внешнем горизонтальном магнитном поле в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, решались численно. Расчеты проводились для капли высотой г=0,012 м., при разных значениях напряженности магнитного поля. На рис. 14 и рис. 15 показаны интегральные кривые решения уравнения (6) и (7), описывающие форму капли магнитной жидкости в магнитных полях различной напряженности в плоскости хОг и у Ох соответственно. По представленным на рисунке 14 зависимостям видно, что ширина основания капли сущест-

-0.(12 -0,015 -0.01 -0,005 0 0.<Ю5 0,!!1 0.015 О.Ш

Рис. 14. Изменение формы капли магнитной жидкости высотой г=0,012 м. в горизонтальном магнитном поле в проекции на плоскость хОг. 1—0 кА/м, 2 - 1 кА/'м, 3-1,2 кА/м, 4- 1,3 кА/м.

венно возрастает с увеличением напряженности горизонтального магнитного поля. Так в поле напряженностью 1,3 кА/м ширина основания капли оказывает-

0,014

ОдШе»

*!).(> 1 -

щ « ода - 'в |<

Ш я " 1»

¿2 " 0,006 - ■ Щ

я «А 4

Й « 0.004 - V

0,1X12 •

. , и / ........\ !\ у, т

ся более чем в два раза больше, чем в случае отсутствия внешнего магнитного поля. Из рис. 15 видно, что с увеличением напряженности магнитного поля ширина основания капли в плоскости уОг также увеличивается, но в меньшей степени, чем в плоскости хОх, в которой лежал вектор магнитного поля. Таким образом, решения уравнений (6) и (7) показывают, что ширина основания капли

магнитной жидкости увеличивается не только вдоль плоскости параллельной направлению действия силовых линий магнитного поля (плоскость хОх), но и в плоскости к ней перпендикулярной (плоскость у Ох). Отношение ширины основания капли в проекциях на плоскости х()х и у()х меняется от 1 до 1,33, при изменении величины магнитного поля от 0 до 1,3 кА/м. Т.е. в отсутствие магнитного поля, поперечными сечениями капли будут являться окружности. При включении же магнитного поля капля вытягивается в обоих направлениях, и поперечные сечения капли становятся эллипсами.

Расчет объема капли проводился при помощи метода поперечных сечений. По полученным в двух взаимно перпендикулярных проекциях решениям уравнения (4), определялась зависимость площади поперечного сечения капли от высоты 2 положения этого сечения. Зависимость объема капли перед ее отрывом от горизонтальной поверхности, от величины напряженности однородного постоянного поля показана на рис. 16. Прямая 2 показывает зависимость найденную теоретически, 1 - найденную по результатам эксперимента. Как это следует из графика, и эксперимент и расчет, основанный на (4), говорят о росте объема капли с увеличением напряженности приложенного горизонтального магнитного поля.

-0,02 -0,015 -0,0! -0.005 0 0,(М5 0.01 0,015 0,02

Рис. 15. Изменение формы капли магнитной жидкости высотой 2=0,012 м. в горизонтальном магнитном поле в проекции на плоскость уОх. 1 - 0 кА/м, 2 - 0,6 кА/м, 3-1,2 кА/м, 4 -2 кА/м.

V, -10"* т> Л . / --

И, кА/т

0 1 2 3 4 5 «

Рис. 16. Зависимость объема капли магнитной жидкости от напряженности внешнего горизонтального магнитного поля. 1 - экспериментальная зависимость, 2 — теоретическая зависимость.

Таким образом, теоретически и экспериментально установлено, что однородное постоянное магнитное поле может существенно влиять на периметр и

площадь контакта капли магнитной жидкости с горизонтальной поверхностью, а также на ее отрывной объем. Исходя из аналогии между поведением капли жидкости, растущей на твердой поверхности в несмешивающейся с каплей средой, и пузырька пара, растущего на поверхности нагрева, найденные закономерности влияния магнитного поля на частоту отрыва, площадь контакта и объем капли магнитной жидкости, должны проявляться и при рассмотрении влияния магнитного поля на процесс роста и отрыва пузырьков пара в кипящей магнитной жидкости.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально найдены зависимости удельного теплового потока от величины внешнего однородного постоянного магнитного поля и температуры теплоотдающей поверхности при кипении магнитной жидкости на горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла. Показано, что однородное магнитное поле приводит к 1,5-2-кратной интенсификации теплооб-менных процессов при кипении магнитной жидкости.

2. Разработана физическая модель влияния магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости, в основу которой положено поведение пузырька пара в магнитной жидкости под воздействием магнитного поля. На основе данной модели получено уравнение зависимости удельного теплового потока от величины внешнего магнитного поля.

3. Разработана экспериментальная установка и предложена методика измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей.

4. Экспериментально найдены зависимости частоты образования пузырьков пара от температуры теплоотдающей поверхности при кипении магнитной жидкости в различных по напряженности и направлению однородных магнитных полях. Установлено, что с увеличением напряженности однородного магнитного поля частота образования пузырьков пара уменьшается более чем в 2 раза.

5. Получены результаты экспериментального моделирования формы, объема и частоты отрыва пузырьков пара, подтвердившие справедливость предложенной физической модели влияния магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости.

6. Решена задача об определении равновесной формы пузырька пара в магнитной жидкости при различной напряженности однородного магнитного поля.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ягов В.В. Теплообмен при пузырьковом кипении: возможности и пределы теоретического анализа // Теплоэнергетика. - 2007. - №3. -

С. 2-8.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979. - 568 с.

3. Розенцвейг P.E. Феррогидродинамика: Пер.с англ /P.E. Розенцвейг - М.: Мир, 1989.-356 с.

4. Гогосов В.В. О локально-неоднородном охлаждении при закалке в магнитной жидкости / В.В. Гогосов, А.Я. Симоновский // Известия академии наук СССР. Механика жидкости и газа. - 1989. -№ 2. - С. 3-11.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Яновский A.A. Тепло- и массоперенос при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности с точечным подводом тепла /A.A. Яновский // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. — №4(3).-С. 1289-1290.

2. Яновский A.A., Симоновский А.Я. Влияние однородного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности / A.A. Яновский, А.Я. Симоновский // Вестник Ставропольского государственного университета. - 2011. - №77(6). - С. 275-280.

3. Яновский A.A. Влияние магнитного поля на процессы парообразования в кипящей магнитной жидкости/А.А, Яновский, А.Я. Симоновский, В.Л. Холопов // Фундаментальные исследования. - 2013. - №8(2). - С. 332-337.

Публикации на Международных и Всероссийских конференциях:

4. Яновский A.A. Обратимая коагуляция в поверхностном слое жидкого намагничивающегося коллоида / A.A. Яновский, науч. рук. А.Я. Симоновский// Материалы V(XXXVII) Международной научно-практической конференции: Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей. - Кемерово: Изд-во ИНТ, 2010. - С. 666-667.

5. Яновский A.A. Теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности с точечным подводом тепла / A.A. Яновский, науч. рук. А.Я. Симоновский // Материалы Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ-16). - Волгоград: Изд-во АСФ, 2010. - С. 259-260.

6. Yanovskiy A.A. Heat exchange in vapour-liquid system based on magnetic fluids / A.A. Yanovskiy, A.Ya Simonovskiy, V.L. Kholopov // Magnetic International Symposium on Magnetism (MISM 2011). — Moscow: Lomonosov Moscow State University, 2011. - P. 248.

7. Яновский A.A. Кипение магнитной жидкости на одиночном центре парообразования в магнитном поле / A.A. Яновский, А.Я. Симоновский, В.Л. Холопов // Материалы III Всероссийской научной конференции «Физико-

химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем». — Ставрополь: Изд-во СГУ, 2011. - С. 152-156.

8. Яновский A.A. Влияние магнитного поля на процесс формирования и скорость всплытия газовых пузырьков при кипении в двухслойной системе магнитная-немагнитная жидкость /A.A. Яновский, науч. рук. А.Я. Симоновский // Материалы VI(XXXVIII) Международной научно-практической конференции: Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей. - Кемерово: Изд-во ИНТ, 2011. - №12. Т. 2. - С. 475^76.

9. Яновский A.A. Теплообмен при кипении магнитной жидкости в горизонтальном магнитном поле /A.A. Яновский // Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике: материалы конференции. - Владивосток: Изд.-во Дальневост. фед. ун-та, 2011. - С. 79-81.

Ю.Яновский A.A. Частота образования пузырьков пара при кипении двухслойной среды магнитная — немагнитная жидкость на одиночном центре в однородном внешнем магнитном поле / A.A. Яновский, науч. рук. А.Я. Симоновский // Материалы Семнадцатой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ-17). - Екатеринбург: Изд. АСФ, 2011.-С. 687-688.

П.Яновский A.A. Измерение частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости при помощи двухслойной среды магнитная-немагнитная жидкость / A.A. Яновский, А.Я. Симоновский, Е.М. Клименко // Современная наука: теория и практика: Материалы II международной научно-практической конференции. - Ставрополь: Изд-во СКГТУ, 2011. -С. 81-84.

12.Клименко Е.М. Процесс парообразования при кипении магнитной жидкости в переменном магнитном поле / Е.М. Клименко, A.A. Яновский, А.Я. Симоновский// Современная наука: теория и практика: Материалы II международной научно-практической конференции. - Ставрополь: Изд-во СКГТУ, 2011.-С. 22-25.

13.Яновский A.A. Управление теплообменными процессами при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности при помощи магнитного поля /A.A. Яновский, А.Я. Симоновский // Физическое образование в вузах. -2012. - №1, Т.18. - С. 35-36.

И.Яновский A.A. Гидрогазодинамические явления в кипящей магнитной жидкости / A.A. Яновский, А.Я. Симоновский // Российская конференция по магнитной гидродинамике: материалы конференции. - Пермь: Ай Кью Пресс, 2012.-С. 189.

15.Яновский A.A. Моделирование процесса роста парового пузырька при кипении магнитной жидкости / A.A. Яновский, А.Я Симоновский, В.Л. Холопов // Труды 15-й Международной плесской конференции по нанодисперс-ным магнитным жидкостям. - Плес: ПресСто, 2012. - С. 234-240.

16. Яновский A.A. К вопросу о гидрогазодинамических явлениях в магнитной жидкости / A.A. Яновский, А.Я Симоновский, В.Л. Холопов // Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей: сборник

докладов X Международной научной конференции / Санкт-Петербург, 2012.-С. 285-287.

17.Яновский A.A. Теплообмен в магнитной жидкости, кипящей на горизонтальной поверхности в однородном магнитном поле / A.A. Яновский, А.Я. Симоновский, В .Л. Холопов // Материалы IV Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем». - Ставрополь: Фабула, 2013. - С. 249-254.

Подписано в печать 15.11.2013. Формат 60x84 '/16. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. веч. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 529.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15. Тел. (8652) 35-06-94.

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201453618

Яновский Александр Александрович

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА НЕОГРАНИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Симоновский Александр Яковлевич

Ставрополь — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................6

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................15

1.1 История исследования процесса кипения магнитных жидкостей......15

1.2 Исследования теплообмена при кипении магнитной жидкости на поверхностях цилиндра, пластины и шара.....................................................21

1.3 Теплообмен при кипении магнитной жидкости...................................30

на поверхности полого цилиндра....................................................................30

1.4 Исследования влияния магнитных полей на частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на ограниченной поверхности........................................................................................................32

ГЛАВА 2. ТЕПЛООБМЕН ПРИ СТАЦИОНАРНОМ КИПЕНИИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ НА НЕОГРАНИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ТОЧЕНЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА В ОДНОРОДНОМ ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ........................39

2.1 Объект исследования и его физические характеристики........................39

2.2 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента. 41

2.3 Результаты экспериментального исследования влияния однородного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности с точечным подводом тепла..........................47

2.4 Теоретический анализ процесса теплообмена и влияния на него однородного магнитного поля при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности..............................................64

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПАРА В ДВУХСЛОЙНОЙ СРЕДЕ МАГНИТНАЯ - НЕМАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ.........................................................................................................74

3.1 Экспериментальная установка и методика измерения частоты парообразования в двухслойной среде магнитная жидкость - вода............74

!

3.2 Результаты экспериментального исследования влияния магнитного поля на частоту парообразования в двухслойной среде магнитная жидкость - вода при кипении магнитной жидкости.......................................................78

3.3 Теплообмен при кипении в двухслойной среде.......................................87

магнитная жидкость — вода..............................................................................87

3.4 Динамика движения пузырька пара в двухслойной среде......................95

магнитная жидкость-вода.................................................................................95

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОСТА ПУЗЫРЬКА ПАРА ПРИ КИПЕНИИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ НА НЕОГРАНИЧЕННОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ...........100

4.1 Экспериментальная установка и методика модельного эксперимента ...........................................................................................................................100

4.2 Отрывной объем капли магнитной жидкости в однородном постоянном магнитном поле................................................................................................104

4.3 Частота отрыва капель магнитной жидкости в однородном постоянном магнитном поле................................................................................................112

4.4 Анализ экспериментальных результатов................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................131

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................133

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - температуропроводность жидкости; С — константа;

В — диаметр пузырька пара в момент отрыва, м; /— частота отрыва пузырьков, с"1; g — ускорение силы тяжести, м/с ;

Н- напряженность магнитного поля, А/м;

М- намагниченность магнитной жидкости, А/м;

М] - намагниченность на уровне теплоотдающей поверхности, А/м;

М2 - намагниченность жидкости на уровне пограничного слоя, А/м;

М5 - намагниченность насыщения магнитного материала, А/м;

и —плотность центров парообразования, 1/м ;

q — плотность теплового потока, Вт/м ;

Ясп- радиус «сухого пятна», м;

г — радиус пузыря пара, м;

Т- абсолютная температура, К;

АТ = ТЦГ-Т8- температурный напор, К;

Ах - толщина неоднородно прогретого слоя жидкости, м;

Р - постоянная Лабунцова.

¿>—толщина слоя жидкости, м;

р - плотность вещества, кг/м3;

<т— коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

77—динамическая вязкость жидкости, Па с;

V- кинематическая вязкость, м2/с;

Я — коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

г-время, с;

£ - аргумент функции Ланжевена; к— постоянная Больцмана, Дж/К; к - теплота испарения, Дж/кг; магнитная постоянная, Гн/м.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Жидкие намагничивающиеся среды, представляющие собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему, были синтезированы в 60-х годах прошлого века, и известны в настоящее время как магнитные жидкости. Дисперсионной средой в магнитных жидкостях, как правило, является керосин, толуол, кремнийорганические масла или вода. В качестве дисперсной фазы может выступать железо, кобальт, никель, магнетит, ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, переходные металлы. Высокий интерес ученых и инженеров к магнитным жидкостям обусловлен уникальным сочетанием свойств высокой намагниченности и текучести в таких средах.

Магнитные жидкости, создававшиеся в связи с возникшей проблемой подачи топлива из баков в двигатели ракеты в условиях невесомости, в настоящее время нашли широкое применение в качестве герметизаторов для вращающихся валов, в устройствах сепарации немагнитных материалов, демпфирующих устройствах, аппаратах для отчистки воды от нефтепродуктов, акустических устройствах и т.д. И, конечно же, нельзя не упомянуть о применении магнитных жидкостей в медицине, в частности при лечении злокачественных опухолей. При всем многообразии практического использования, и в наше время потенциально возможные области применения магнитных жидкостей не стали менее обширными.

За более чем полувековую историю изучения магнитных жидкостей были достаточно хорошо исследованы магнитные, электрические, оптические и теплофизические свойства магнитных жидкостей, однако вопросы тепло - и массопереноса при стационарном кипении магнитной жидкости являются малоизученной областью теплофизики кипения. Между тем, исследование теплообмена при кипении магнитной жидкости представляет интерес как с точки зрения применения магнитной жидкости

как закалочной среды, так и в связи с возможным ее применением в качестве теплоносителя в различных теплообменных аппаратах и тепловых устройствах.

Исследования в области теплофизики кипения магнитных жидкостей начались в восьмидесятых годах прошлого века. Толчком, побудившем позднее ученых из разных стран подключиться к изучению теплообменных процессов при кипении магнитной жидкости, стало предложение профессоров Чеканова В.В. и Симоновского А .Я. использовать магнитные жидкости в качестве закалочной среды. Особый интерес представляет изучение теплообмена при пузырьковом кипении магнитной жидкости. Так при закалке сталей, температурный интервал, в котором происходят наиболее важные фазовые превращения в сталях, непосредственно связан с данным режимом кипения. При рассмотрении магнитной жидкости как теплоносителя в теплообменных устройствах и аппаратах важным аспектом становится изучение стационарных теплообменных процессов при пузырьковом режиме кипения.

Неизученными вопросами теплофизики кипения магнитных жидкостей все еще остаются процессы и механизмы влияния однородных постоянных и переменных магнитных полей на теплообмен, частоту образования и отрыва пузырьков пара от теплообменной поверхности, плотность центров парообразования, форму и объем паровых пузырей, тепловой поток и т.д. Остается открытым и вопрос, связанный с кризисом кипения и пленочным кипением магнитных жидкостей, это связано, в первую очередь, с ограниченным температурным диапазоном, при котором магнитная жидкость остается стабильной, т.е. проявляет термическую устойчивость к коагуляции частиц дисперсной фазы.

В настоящее время не существует единой общепринятой теории описывающей теплообмен при пузырьковом кипении даже для обычных, не взаимодействующих с магнитным полем, жидкостей. В магнитных жидкостях ситуация осложняется необходимостью учитывать воздействие на

процесс внешних магнитных полей. Кроме того, магнитные жидкости непрозрачны, что также усложняет исследование пузырькового кипения.

Изложенные факты подтверждают актуальность предложенной темы диссертационной работы и позволяют говорить о том, что исследование влияния магнитных полей на теплообмен при стационарном кипении магнитной жидкости представляет как общенаучный, так и прикладной интерес. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию некоторых из обозначенных выше вопросов теплофизики кипения магнитной жидкости.

Настоящая диссертационная работа выполнялись в ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» в 2009-2012 годах. Работа была поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 11-01-00051-а Института механики МГУ им. М.В. Ломоносова.

Цель работы

заключается в экспериментальном и теоретическом исследовании влияния однородного постоянного магнитного поля на процесс теплообмена при стационарном кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Разработать и создать автоматизированную установку для измерения тепловых потоков при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.

2. Экспериментально и теоретически исследовать влияние внешнего однородного постоянного магнитного поля на тепловой поток при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности.

3. Разработать методику измерения частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на горизонтальной поверхности и экспериментально изучить влияние внешнего однородного постоянного магнитного поля на частоту образования пузырьков пара.

4. Экспериментально изучить влияние концентрации магнитной фазы на процесс теплообмена и частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.

5. Экспериментально смоделировать процесс роста и отрыва пузырька пара во внешнем однородном постоянном магнитном поле. Получить теоретическую зависимость формы и объема пузырька пара от величины напряженности внешнего однородного постоянного магнитного поля.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые экспериментально изучено влияние однородного постоянного магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности. Обнаружено, что магнитное поле приводит к более чем полуторакратному увеличению удельного теплового потока к магнитной жидкости.

2. Впервые получено уравнение, описывающее влияние магнитного поля на процесс теплообмена при кипении магнитной жидкости, учитывающее силовые факторы, действующие на пузырек пара в магнитном поле.

3. Впервые разработана экспериментальная установка и предложена методика измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачной жидкости с использованием двухслойной среды.

4. Впервые экспериментально найдена зависимость частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности от температуры стенки нагревателя и от напряженности однородного магнитного поля. Показано, что магнитное поле

приводит к более чем двукратному уменьшению частоты образования пузырьков пара.

5. Впервые экспериментально исследовано влияние однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении двухслойной среды магнитная-немагнитная жидкость. Найдено, что интенсивность влияния магнитного поля на теплообмен в двухслойной среде, в 1,5-2 раза меньше, чем при кипении однослойной магнитной среды.

6. Впервые осуществлено экспериментальное и теоретическое моделирование влияния однородного магнитного поля на форму, объем и частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости. В результате подтверждена справедливость физической модели влияния магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Результаты экспериментов по изучению влияния внешнего однородного постоянного магнитного поля на теплообменные процессы при кипении магнитной жидкости на горизонтальной неограниченной поверхности с точечным подводом тепла, показавшие значительное влияние величины напряженности внешнего магнитного поля на изменение удельных тепловых потоков.

2. Методика измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей.

3. Результаты экспериментов по изучению влияния внешнего однородного постоянного магнитного поля на частоту отрыва пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла, обнаружившие зависимость частоты образования пузырьков пара и температуры начала образования пузырьков пара от величины напряженности и направления внешнего магнитного поля, а также от концентрации магнитной фазы в жидкости.

и

4. Результаты теоретического анализа влияния однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла и полученное в результате анализа выражение для удельного теплового потока, учитывающее пондеромоторные силы, действующие на пузырек пара, и показавшее, что влияние магнитного поля на температуру кипения существенно сказывается на тепловом потоке.

5. Результаты экспериментального и теоретического моделирования процесса роста и отрыва пузырька пара во внешнем однородном постоянном магнитном поле при кипении магнитной жидкости, позволившие установить зависимость формы и объема пузырька пара от напряженности и направления внешнего однородного магнитного поля.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на кафедрах теоретической и общей физики Северо-Кавказского федерального университета в 2009-2012 годах, на научно-практических конференциях: Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (Волгоград 2010 г.), X Всероссийский съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011 г.), III Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (г.Ставрополь, 2011 г.), Международный симпозиум по магнетизму MISM 2011 (г. Москва 2011г.), X Международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики

электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), 15-я Международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям (г. Плес, 2012 г.). III и IV Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (г. Ставрополь, 2011 и 2013 г.)

Достоверность полученных результатов подтверждается

проведением измерений при помощи стандартного оборудования; статистической обработкой результатов экспериментов; использованием известных положений из теории кипения жидкостей; качественным совпадением результатов проведенных экспериментов и предложенных для их описания математических зависимостей, непротиворечивостью результатов работы основным положениям теплофизики кипения.

Теоретическая и практическая ценность диссертации заключается в развитии физических представлений о воздействии магнитных полей на процессы тепло- и массопереноса в жидких намагничивающихся средах и получении данных, подтверждающих эффективность использования МЖ в технологии управляемого закалочного охлаждения, а также при проектировании и создании теплообменных устройств с магнитной жидкостью в качестве теплоносителя.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 19 работ. В том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 16 работ в сборниках и трудах Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 120 наименований. Общий объем диссертации — 149 страниц, содержащих 47 рису�