Теплообмен при закалочном охлаждении пластины в магнитной жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

С/ с/

л

■¿¡/¿¿У - Л?

У 7

к,-

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

екая государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

Гришанина Ольга Алексеевна

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ЗАКАЛОЧНОМ ОХЛАЖДЕНИИ ПЛАСТИНЫ В

МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 01.04.14 - "Теплофизика и молекулярная физика"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук доцент Симоновский А.Я.

Ставрополь, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................б

Глава 1.Теплообмен при кипении магнитных жидкостей. Обзор литературы.....................17

1.1. Механизмы влияния магнитного поля на параметры теплопереноса при кипении

магнитных жидкостей..........................17

1.2. Закалка стали в магнитной жидкости .....3 6

Глава 2. Паровые полости при нестационарном кипении магнитной жидкости на поверхности намагничивающейся пластины...................42

2.1. Объект и методика исследования............42

2.2. Режимы кипения магнитной жидкости на различных участках поверхности пластины.......4 6

2.3. Экспериментальное моделирование процессов формирования паровоздушных полостей вблизи поверхности пластины с соотношением длины к толщине менее и

более десяти.................................52

2.4. Формирование воздушных полостей вблизи поверхности пластины при различной ориентации плоскости пластины к направлению внешнего магнитного поля.............62

2.5.Решение задачи о распределении свободной поверхности магнитной жидкости, в окрестности намагничивающейся пластины......66

2.6. Влияние соотношения размеров пластины на характер распределения формы свободной поверхности магнитной жидкости, омывающей пластину..........................7 8

Глава 3. Теплообмен ферромагнитной пластины

с магнитной жидкостью.......................85

3.1. Экспериментальная установка и методика исследования........................85

3.2. Результаты измерений интенсивности охлаждения в магнитной жидкости различных точек поверхности пластины, расположенной параллельно вектору внешнего магнитного поля.............................8 9

3.3. Распределение термических напряжений

в пластине по полю температур..............101

Глава 4.Закалка стальных пластин в магнитной жидкости...............................110

4.1. Объект и методика исследования ........................................110

4.2. Закалка пластин из доэвтектоид-

ной стали в магнитной жидкости...........115

4.3. Закалка пластин из эвтектоидной

стали в магнитной жидкости................123

4.4. Закалка пластин из легированной

стали в магнитной жидкости................125

Заключение.........................................128

Список литературы..................................130

Основные обозначения

А, D,F,G,K - произвольные вещественные постоянные;

а - полуширина пластины;

В - индукция магнитного поля;

DKp - критический диаметр парового пузырька;

Е - модуль Юнга;

е - основание натурального логарифма, е=2,71; Ф(г) - аналитическая функция; f - частота отрыва паровых пузырьков; Н - напряженность магнитного поля;

Н0 - напряженность внешнего магнитного поля;

g - ускорение силы тяжести, д=9,81 м/с2;

Н - напряженность магнитного поля;

Н0 - напряженность внешнего магнитного поля;

i - мнимая единица; z = V~Т;

L,t,h - длина, ширина и высота пластины;

М - намагниченность;

Мп - нормальная компонента намагниченности на свободной

поверхности магнитной жидкости;

Ms - намагниченность насыщения;

Р - магнитное давление;

Ра - атмосферное давление;

Pik ~ тензор напряжений;

рн - полином Лежандра;

г,ф,0 - сферические координаты;

R - радиус;

Ri, R2 - главные радиусы кривизны поверхности магнитной

жидкости;

Т - температура;

и - вектор смещения;

Uik - тензор деформаций;

V - скорость охлаждения;

V - средняя скорость охлаждения; \7мж - объем магнитной жидкости;

- объем пластины; x,y,z - декартовы координаты; yw - половина тощины пластины;

а - угол между направлением внешнего магнитного поля и

плоскостью пластины; ост - температурный коэффициент линейного расширения; фР - скалярный потенциал магнитного поля; фРе - объем феррофазы в магнитной жидкости; Sik - символ Кронекера;

- декартова система координат, связанная с пластиной; С, - плоскость; р - плотность вещества; pR,V|/ - полярные координаты; Цо - магнитная постоянная, |iio= X - теплопроводность; т - время;

а - коэффициент поверхностного натяжения; aik - тензор напряжений; Gs - коэффициент Пуассона; X - магнитная восприимчивость

Сокращения и аббревиатура

шах- наибольшее значение величины;

min - наименьшее значение величины;

Sin - синус;

Cos - косинус;

const- постоянная величина;

оо - бесконечность;

V - градиент (оператор Гамильтона);

А - оператор Лапласа;

~ - знак порядка величины;

ПАВ - поверхностно-активные вещества;

-1 при х<0

Sign - оператор сигнум: Sign х = 0 при х=0

1 при х>0

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Магнитные жидкости - новый технологический материал - нашли широкое применение в науке, технике и медицине.

Взаимодействие магнитных жидкостей с электромагнитными полями позволяет регулировать гидродинамические и теплообменные процессы в них. Одним из новых перспективных и малоразработанных направлений в теплофизике магнитных жидкостей является направление, изучающее явления тепло- и массопереноса в высокотемпературных теплофизических процессах, таких, например, как закалочное охлаждение при термической обработке металлов.

Исследование воздействия магнитного поля на процессы теплообмена, протекающие при закалке плоских тел в магнитной жидкости, и изучение механизмов этого влияния представляет как научный, так и практический интерес. Данные исследования способствуют расширению представлений о закономерностях протекания процессов кипения магнитных жидкостей в магнитных полях. Одновременно с этим появляются возможности для совершенствования ныне существующей технологии закалки деталей плоской формы.

Диссертационная работа выполнена в 1993-1998гг в Ставропольской Государственной сельскохозяйственной академии в рамках программы научных исследований СГСХА. Работа одобрена и поддержана РФФИ, Грант № 96-01-01747.

Целью настоящей работал являлось экспериментальное изучение нестационарных процессов переноса тепла при закалочном охлаждении тел плоской формы в магнитных жидкостях типа магнетит в воде. При этом ставились основные задачи:

- провести наблюдение за состоянием поверхности пластины в процессе высокотемпературного охлаждения в магнитной жидкости для выявления областей поверхности пластины с различными режимами кипения магнитной жидкости, происходящими при одной температуре;

- провести экспериментальное моделирование процесса формиро-

вания паровоздушных полостей в объеме магнитной жидкости, омывающей поверхность намагничивающейся пластины в магнитном поле;

- дать математическое описание формы свободной поверхности магнитной жидкости, омывающей поверхность намагничивающейся пластины в магнитном поле;

- изучить изменение интенсивности охлаждения различных точек поверхности пластины в зависимости от величины приложенного магнитного поля;

- рассчитать температурное поле и распределение термических напряжений в пластине, охлаждаемой в магнитной жидкости в магнитном поле;

- исследовать влияние магнитного поля на структуру и механические свойства стальных пластин, закаленных в магнитной жидкости .

Научная новизна заключается в следующем:

- при проведении охлаждения пластины в магнитной жидкости под воздействием внешнего магнитного поля впервые обнаружено наличие на поверхности пластины зон, отделенных от охлаждающей жидкости слоем пара - так называемых паровоздушных полостей;

- проведено экспериментальное моделирование процесса образования паровоздушных полостей вблизи поверхности охлаждаемой в магнитной жидкости пластины путем наблюдения за поведением магнитной жидкости, омывающей холодную пластину при включенном магнитном поле;

- показано, что при соотношении длины к толщине пластинь: меньше десяти вблизи центральной части поверхности пластинь: вдоль вертикальной ее оси образуются две воздушные полости по одной с каждой стороны пластины, представляющие собой вертикальные конусообразные воронки, сужающиеся в направлении силы тяжести;

- впервые обнаружено, что вблизи поверхности пластин с соотношением длины к толщине более десяти в жидкости, омывающей пластину, образуются четыре воздушные полости по две на каждую

сторону; полости сосредоточены у торцов пластины; форма наблюдаемых полостей конусообразная, сужающаяся в направлении силь: тяжести;

- найдено, что при соотношении длины пластины к толщине порядка десяти при различном объеме магнитной жидкости, заполнявшей кювету, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, можно наблюдать следующую картину эволюции воздушных полостей, образующихся в объеме магнитной жидкости, омывающей пластину: в малых полях вблизи поверхности пластины формируются две полости, расположенные в центральной части поверхности пластины; с увеличением значений поля полости увеличиваются в размерах, удлиняясь вдоль плоскости пластины; при некотором значении поля в средней части полости начинает развиваться неустойчивость (форма полости теряет правильную геометрическую форму); развитие неустойчивости приводит к дроблению двух полостей на четыре; полости перемещаются к торцам пластины; вначале с ростом магнитного поля уменьшаются в размерах, но затем вновь увеличиваются в объеме;

- решена задача о распределении формы свободной поверхности магнитной жидкости, омывающей пластину в приложенном постоянном магнитном поле при различной ориентации плоскости пластины пс отношению к направлению вектора внешнего магнитного поля;

- экспериментально установлено, что скорость охлаждения различных участков поверхности пластины в магнитной жидкости сложным образом зависит от величины приложенного магнитного поля; наблюдается двухмаксимумовая зависимость интенсивности охлаждения различных точек поверхности пластины от величины приложенного магнитного поля;

- экспериментально показано, что в процессе закалки стальных пластин в магнитной жидкости путем изменения величины приложенного постоянного магнитного поля можно добиться как диффузионного, так и бездиффузионного превращения аустенита в различных элементах объема охлаждаемого плоского образца и, в связи с

этим, получить различное распределение микроструктуры по объему закаленного изделия.

Автор выносит на защиту:

- положение о том, что на отдельных участках поверхности пластины возникают устойчивые локальные паровые полости, сохранявшиеся до температур теплоотдаюцей поверхности ниже температуры предельного перегрева жидкости;

- результаты экспериментального моделирования процессов формирования паровоздушных полостей в объеме магнитной жидкости, омывающей пластину, полученные при различных соотношениях размеров пластины, соотношениях объемов магнитной жидкости к объему пластины, от величины внешнего магнитного поля, ориентации направления плоскости пластины к направлению внешнего магнитного поля;

- найденный в экспериментах двухмаксимумовый характер зависимости изменения средней скорости охлаждения различных точек поверхности пластины от величины приложенного внешнего магнитного поля в процессе закалочного охлаждения в магнитной жидкости;

- результаты закалки стальных пластин в магнитной жидкости в магнитном поле, показывающие возможность получения в процессе закалки в объеме стальной пластины различных структур и неоднородного распределения твердости по поверхности пластины.

Практическая значимость работы. Экспериментально обнаружена возможность управления с помощью постоянного магнитного поля процессами теплообмена при закалочном охлаждении плоских пластин в магнитной жидкости.

Показано, что различные скорости охлаждения отдельных участков поверхности пластины приводят к получению различной микроструктуры и твердости на различных участках поверхности закаленной пластины.

Показано, что регулируя скорость охлаждения различных точек поверхности пластины при закалке в магнитной жидкости, можно осуществлять различные виды термообработки изделия в одной и той

же охлаждающей среде.

Достоверность результатов подтверждается:

- качественным соответствием наблюдаемых явлений результатам расчетов, проведенных по классическим уравнениям феррогидродинамики;

- использованием стандартных измерительных средств, допускаемая погрешность.измерения которых не превышала 2%;

выполнением статистической обработки экспериментальных

данных.

Апробация работы: Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: 59-62 Научных конференциях СГСХ£ (г.Ставрополь, 1994-98гг); 7-й Международной конференции по магнитным жидкостям (г.Плесс, 1996г.), III научной конференции "Актуальные проблемы современной науки" (г. Ставрополь, 1997г.), Международном Симпозиуме по гидродинамике магнитных жидкостей и их применению ISHMFA497 (Япония, г.Сендаи, 1997), Всероссийской конференции "Физико-химические проблемы нанотехнологий" (Ставрополь, 1997г.), Всероссийской конференции "Современные методы и достижения в механике сплошных сред" (Москва, 1997). Проводимые исследования отмечены Грантом РФФИ №96-01-01747.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и обгьем диссертации. Настоящая работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 138 страниц, список литературы насчитывает 104 наименования.

Во введении содержатся данные, обосновывающие актуальность проводимых исследований, научную новизну, результаты, выносимые автором на защиту и сведения об апробации работы.

В первой главе приводится обзор литературы, описывающий достижения ранее выполненных исследований в области теплофизики процессов кипения магнитной жидкости. Приводятся результаты изучения тепловых процессов, протекающих при закалочном охлаждении тел различной формы в магнитной жидкости. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводятся результаты изучения температурных интервалов протекания различных режимов кипения магнитной жидкости на поверхности пластины. Описана методика изучения различных режимов кипения магнитной жидкости на разных участках поверхности пластины при различном соотношении размеров пластины.

Магнитная жидкость является непрозрачной средой, поэтому традиционные оптические методы наблюдения за процессами кипения в этом случае неприемлемы. Однако при охлаждении тел различной геометрической формы на их поверхности остается осадок расслоившейся магнитной жидкости. По структуре и характеру распределения осадка можно судить о режимах кипения магнитной жидкости на различных участках поверхности охлаждаемых тел.

Установлено, что на различных участках поверхности охлаждаемой пластины реализуются различные режимы кипения магнитной жидкости за счет наличия на поверхности пластины зон, свободных от магнитной жидкости - паровоздушных полостей. Эксперименты показали, что в интервале температур от 700 до 400°С по всей поверхности образца охлаждение происходит в режиме пленочного кипения. В температурном интервале от 400 до 200°С на поверхности пластины, длина которой Ь=25мм, толщина t=3мм и высота 1^=50мм, вблизи торцов пластины пленочный режим кипения сменяется переходным. На участках поверхности пластины, прилегающих к ее центральной части, сохраняется пленочный режим кипения.

При температурах поверхности образца ниже 200°С до 100°С в приторцовой части поверхности пластины наблюдается режим пузырькового кипения. На центральных участках поверхности пластины режим кипения продолжает оставаться пленочным. И лишь в узкой области температур, вблизи 100°С, на этих участках поверхности пленочный режим кипения сменяется переходным и далее пузырьковым. Ниже 100°С охлаждение на всей поверхности пластины происходит в режиме однофазной конвекции.

Для объяснения этого явления изучался характер распределения свободной поверхности магнитной жидкости в окрестности поверх-

ности пластин с различньм соотношением размеров, при различном соотношении объемов магнитной жидкости и пластины, при различной ориентации плоскости пластины к направлению внешнего магнитного поля.

Приводится описание экспериментальной установки для наблюдений за распределением магнитной жидкости в окрестности пластинь: в магнитном поле. Она представляла собой немагнитную цилиндрическую кювету, дном которой служило матовое стекло. Кювета располагалась между полюсами электромагнита. На дно кюветы устанавливалась ферромагнитная пластина. Плоскость пластины в различных экспериментах могла по-разному располагаться к направлению внешнего магнитного поля. К поверхности пластины при включенном магнитном поле подавались последовательно увеличивающиеся