Управление пленочными течениями магнитной жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ака.шмя наук ссср институт высоких температур

На правах рукописи УДК 536.537:84

ДЕНИСЕНКО Тамара .Дмитриевна УПРАВЛЕНИЕ ПЛЕНОЧНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ

магнитной шщости

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата .физико-математических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Западном филиале Всесоюз ного теплотехнического института им.Ф.Э.Дзерки

ского

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Бе дутая организация:

Зашита состоится

доктор физжо-математич ких наук,,, профессор

БНРКОВСКИЙ Б.М.

доктор физико-математических наук, ЧЕКАНОВ В. кан дидат физико-глатемат ческих наук, СМИРНОВ II.

Московский государствен технический университет: игл. Н.Э.Баумана

_ 199

г.

в_ часоЕ на заседании Специализированного

совета по присуждению ученой степени кандидата наук К 002.53.02 при Институте еысоких темпере АН СССР /Москва, Красноказарменная ул., 17а/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиоа ке Института высоких температур АН СССР /Москб Икотзская ул., 13/19/.

Автореферат разослан "_" _ 199

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук / Давыдов 1

Институт высоких температур АН СССР, 199

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и практическая значимость. Растущий спрос на фодукты переработки природного и попутного газов обусловливает гсобходимость интенсификации процесса масляной абсорбции, кото-)ый, является основным способом переработки газа как в СССР, так I за рубежом. Однако, проведение этого процесса требует гроМозд-сого оборудования и больших капиталовложений, что в условиях удаленных районов нашей страны, где открываются все новые место-юждения, приводит к тому, что при добыче нефти приходится сжи-ать миллиарды кубометров попутного газа. Актуальным в связи с тим является разработка новых высокопроизводительных абсорбци-1нных процессов, требующих для своего осуществления малогабарит-юго оборудования и минимальных капиталовложений: Интенсифика-,ия абсорбционного процесса, проводимого традиционным способом, 1граничена предельными скоростями газа, при которых начинается нос абсорбента в результате потери устойчивости его течения. И с» ользование магнитного абсорбента и проведение абсорбционного роцесса в магнитном поле, которое эффективно управляет устойчи-остью последнего, позволяет увеличить предельные скорости газа и, аким образом, интенсифицировать процесс абсорбции. Сказанное акже относится к теплообменным процессам и оборудованию.

Целью работы является исследование влияния магнитного поля а устойчивость пленочного течения магнитного абсорбента или чагнитного теплоносителя применительно к происходящим в них роцессам переноса. При этом ставились задачи определения форм юссообменной поверхности магнитных жидкостей, устойчивости их ечений, а также повышение степени эффективности тепло, - массооб-<енных процессов в магнитнои поле.

Научная новизна результатов. В данной диссертации впервые:

1. Исследовано влияние магнитного поля на форму массооб-(енной поверхности статических и ламинарно текущих пленок маг-итного абсорбента в пространственно-неоднородных магнитных олях плоских и цилиндрических насадок массообменных аппара-ов. Опредлены условия, при которых пленки магнитного абсорбента меют оптимальную поверхность для целей массообмена.

2. Установлены закономерности ламинарных пленочных течений огнитного абсорбента по цилиндрической поверхности. Исследован

вопрос об устойчивости таких течений при взаимодействий пленок с газом в кольцевом зазоре между цилиндрами в зоне действия магнитных сил.

3. Выполнены экспериментальные исследования характера воздействия магнитного поля на пленочные течения и форму массообмен-ной поверхности магнитного абсорбента, находящегося на плоской магнитной насадке. Экспериментально исследован процесс стабилизации магнитным полем пленочного течения на цилиндрической насадке в условиях взаимодействия пленки с газовым потоком.

4. Показано, в какой степени меняется эффективность массооб-менных процессов и основных критерий массообмена в магнитном поле при проведении абсорбции с помощью магнитного абсорбента.

Вышеперечисленные содержащие новизну положения и выносятся на защиту.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации докладывались на Восьмой международной конференции по МГД -преобразованию энергии (Москва, 1983), на II Всесоюзной школе-семинаре по магнитным жидкостям ( Плес, 1981), на Всесоюзной конференции по проблемам феррогидродинамики в судостроении ( Николаев, 1981) и отражены в 10 публикациях.

Объем и структура. Диссертация состоит из пяти глав, Заключения, Приложения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации 149 страниц, в том числе 31 страница рисунков. Список литературы на 9 страницах ( 85 наименований).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации показана перспективность использования магнитных жидкостей в качестве магнитного теплоносителя или магнитного абсорбента при пленочном тепло-, или массообмене, а также необходимость исследования в связи с этим пленочных течений и их устойчисости, поскольку выполненные к настоящему времени исследования пленок магнитных жидкостей сосредоточены главным образом на изучении непод@*шных слоев идеальных жидкостей, не взаимодействующих с газом. Проведен анализ литературы по гидродинамической устойчивости пленок обычных жидкостей, с котором показана необходимость решения задачи об устойчивости в гидродинамическом плане, поставленной в четвертой главе диссертации.

Во второй глгоз определены фзкторыгведущие к интенсификации м2ссооб?*енных процессоз при пленочной абсорбции. Одним из главнейших фактороз, влияющих на интенсивность массообмена при абсорбции газа ¡::идкостыо, является увеличение линейных скоростей гасопого потока. На основе литературных данных по пленочной абсорбции о горизонтальном канале ( Т) показано, что длп хорошо рас-тпороимых газоз отношение диффузионных чисел Нусельта пропорционально корню кзадратному из отношения скоростей газовых потокоз при ламинареом течении обеих фаз

Аналогичным образом меняются коэффициенты массопередачи при увеличении линейных скоростей газового потока. В случзе массообмена с вертикальном канале при ламинарном течении фаз (2) показано, к примеру, что увеличение скорости газа на отдельных масообменных участках з два раза обеспечизает аналогичное распределение концентрации п пленке абсорьента, как и в случае увеличения длины масообменного участка в 1,71 раз. Таким образом, увеличение скоростей газсзого потока позволяет существенно сократить длину масообменных участков пленочных аппаратов. Это же касается и пленочной теплообменной аппаратуры.

В третьей главе с использованием модели магнитной жидкости Розенцоейга произведено исследование массообменной поверхности пленок и пленочных течений в магнитных полях длп ряда типичных геометрий (рис. 1, а, б). Реализация плечночных течений магнитной ммдкостм осуществляется магнитными насадками, создающими неоднородное магнитное поле. Магнитные насадки обладают тсй особенностью, что форма массообменной поверхности пленок, формирующихся под действием магнитного поля насадок на их поверхности о результате механизма объемного взаимодействия жидкости с полем, которое проявляется о эффектах, связанных со свободной поверхностью, может искажаться. Более того, в отдельных случаях возможно нарушение сплошности пленок жидкости, что нежелательно для 'некоторых технологических процессов.

Исследование форм массообменных поверхностей пленок магнитного абсорбента проводится в базиндукционнсм прибл:«::з1"<и, границей применимости которого является условие 'Х„«1 ( .

Тогда, при некоторых предположениях, массообменная поверхность пленок оказывается поверхностью постоянных значений квадрата напряженности магнитного поля ( Н2 = const).

При периодическом намагничивании плоской магнитной насадки вдоль одной из осей ( рис. 1, а), описываемым к примеру, функцией

Мх:{ X) = £ [Mn cos JJLL х + Mnsin х ] ,

n= l L - L

создаваемое насадкой магнитное поле имеет аналитическое решение, что позволяет определить форму массообменной поверхности пленок магнитного абсорбента, совпадающую с изоповерхностями магнитного поля. При расходе жидкости, меньшем критического, как показывают расчеты, пленка жидкости на магнитной насадке разрывна ( рис. 2,а). Жидкость, концентрируясь на полюсах ( x/L = 0; 1/2; 1)' образует каналы полуцилиндрического типа. При Q> QKp пленка жидкости является сплошной (рис. 2, б) и искривляется в местах наибольшей неоднородности магнитного поля. Условием сплошности

пленки является Э > L/25. Выполнение условия а L / 25 необхо -

о о

димо при массообмене, так как обеспечивает полную смачиваемость

поверхности.

В целях массообмена может быть использована цилиндрическая магнитная насадка с круглым сечением ( рис. 1,6), однородно намагниченная в поперечном направлении MQ = const и создающая магнитное поле, модуль напряженности которого равен ( 4)

М 1

H = -fR>

с ч~

При наличии в цилиндре внутренней плоскости ь-.агннтпое поле внутри нее отсутствует, что позволяет осуществить плспачиое теченнэ магнитного абсорбента или магнитного теплоносители лишь по снош-ней поверхности цилиндра. Образующаяся при этом пленки :.:;(дкос1ч имеет цилиндрическую форму массообменной поверхности. Это \ае относится и к цилиндрической насадке с зллил гкчгск.;гл сачекиегл, создающей магнитное поле с модулем напряженности.

1

— с

Н ^ 09 '_ . _'_ .а

-shajChaj a / ch2cc — cos2^ 4

Нахождение статистических пленок магнитного абсорбента на цилиндрической насадке будет устойчивым при выполнении некоторых условий, одним из которых является 80т>±, означающее устойчивость относительно капиллярного распада. При характеристики жидкости и параметры магнитной насадки удовлетворять условию

Мо р оМжЯ2 (И +Эо)г(Х+ 2) ^ ^

б'до у2 д2 _ ^+3)2(^2)2

Помимо указанного условия должно выполняться еще одно, характеризующее поверхностную неустойчивость в тех местах цилиндрической поверхности, где векторы магнитной индукции ортогональны к поверхности < 2, или

(И + а0) ММж11_)2

•Х2я2 - (Р + а0) 2 (Х+2 ):

. /о Я 0С+ 2)

^ 2

Ламинарное пленочное течение магнитного абсорбента или теплоносителя теоретически исследовалось на цилиндрической магнитной насадке намагниченного круглого цилиндра. Рассматривалась ситуация, когда пленочное течение возникает за счет искусственного создания разности уровней. Профиль скорости в пленке при этом имеет вид

1/2 ~ В*

Расход жидкости определяется как

п _ Л/ЫМоИ2 ( - ^

Ь > " 4 «г»

Форма поверхности пленки (в сечении) имеет вид, указанный на рис. 3 ( кривая 1).

Исследование пленочного течения магнитного абсорбента, обусловленного созданием разности уровней, проводилось экспериментально на плоской магнитной насадке, в качестве которой использовалась магнитная поверхность из масло-бензостойкой резины с магнитным наполнителем, имеющая полюса полосовой формы. Течение магнитного абсорбента осуществлялось в каналах, образующихся на полюсах насадки. В ходе экспериментов были определены основные характеристики ламинарного пленочного течения. Измеренная экспериментально форма массообменной поверхности (в сечении) приведена на рис. 3 ( кривые 2, 3), где показано изменение толщины пленки вдоль направления движения. Легко видеть, что форма массообменной поверхности магнитного абсорбента, текущего по плоской магнитной насадке, приблизительно соответствует форме поверхности, расчитанной теоретически для случая течения пленки по цилиндрической насадке.

В четвертой главе диссертации исследуются устойчивость совместного течения пленки магнитного абсорбента и магнитного газа в кольцевом зазоре между двумя соосными вертикальными цилиндрами с учетом возмущений, вносимых магнитным полем. Внутренний цилиндр представляет собой проводник с током. Гидродинамика процесса изучается в предположении, что жидкая и газовая фазы не смешиваются и имеют цилиндрическую поверхность раздела. Магнитное поле в цилиндрической системе координат (ч, а, е) имеет следующую конфигурацию 1

Но = Но (о; 27гч ' Н0>г"

Рассматриваемая задача является сопряженной. Математически она описывается уравнениями феррогидродинамики для каждой из фаз с граничными условиями на твердых стенках и на поверхности раздела жидкости и газа, ^следование устойчивости ламинарного течения проводится методом малых возмущений. Вэзмущения, наложенные на основное течение, полагаются двумерными, что не нарушает общности задачи. Предполагается, что возмущения всех физических величин ( скоростей, давлений, напряженности магнитного поля) в жидкой и газовых фазах пропорциональны нормальному смещению поверхности. Такое предположение приводит к независимости уравнений и граничных условий для магнитного поля от гидро-

динамических переменных, что позволяет решить для каждой из сред (жидкой, газовой, внешнего и внутреннего цилиндров) уравнения магнитного поля и определить возмущения, вносимые полем Ы = V ф! в пленке магнитного абсорбента и в газе через следующие функции

Ф1 = В1 [ '0(пч> +51Ко (пч)]

Ф2 =В2 Г 10 (ПЧ) + ®2 К0

Здесь 1о (пч) и Ко(пч) - модифицированные функции Бесселя 1-го и 2-го рода.^Г^, Ьв2 - некоторые коэффициенты.

Уравнения движения для магнитных жидкой и газовой фаз, описывающие рассматриваемый процесс, сводятся к известным уравнениям Орра- Зоглглерфельда, которые имеют такой же вид, как и для обычных жидкостей и газов.

IV 2 I

ОН - 2 ^ + - 2п2) фУ + ( 2П. _ Зчз) <1)1 + п2 ф! =

= ¡пРе [(ф'" - п2 Ф1) (Уо1-С) +ф (1

\ = 1,2.

Индекс \ = 1, обознзчзет жидкую фазу, \ = 2 — га-озую. Специфика р'ссг.-зтрнпаг/ой гздзчи, обусловленная наличием магнитных ергд, существует лишь в граничных условиях к записанным уравнениям.

Постгзленнсп зздача об устойчивости решается для длинноволновых позчущсаий п «1. Решение задачи рассматривается а окрестности п= 0. Тогда собственные функции и собстпснные значения г.'огс-но представить в виде рпдов по степеням п

В нулевом приближении ( 1=0, ф1=ф10(ч)) уравнения Орра-Зоммер-фельда переходят в однородные. Магнитные члены, входящие в граничные условия, пропадают. Таким образом, действительная часть фазовой скорости, определяемая из нулевого приближения, оказывается ие зависимой от магнитного поля. Впервом приближении ( линейном по п, Ф}=Ф}о + пф1р определяется мнимая часть фазовой скорости, характеризующая устойчивость ( 1 тС < 0) или неустойчивость пленочного течения ( ТтС > 0)

1тС = -Д Т-Д пЯе

2(У01-С)1 Эч Зч /

(1)

Н2ог , 1тв1 . 1тв2 .

+

Коэффициенты Т, входящие в последнее выражение, представ-

ляют собой сложные константы, зависящие от геометрических параметров системы, характеристик жидкости и газа и их расходов. При отсутствии газа и магнитного поля в системе дисперсионное уравнение (1) упрощается, и мнимая часть фазовой скорости возмущений свободной поверхности ( ТтС) совпадает с точностью до обозначений с мнимой частью фазовой скорости пленки обычной жидкости, стекающей по внутренним стенкам цилиндра, полученной в работе (5).

Специфика условия устойчивости ( ТтС=0) заключается в том, что, помимо обычных факторов, на устойчивость течения пленки существенным образом влияют тангенциальная компонента магнитного поля и градиент напряженности ( через и Л). Как показывает численный анализ условия устойчивости, представляющего собой трансцендентное уравнение, при отсутствии магнитного поля и газовой среды пленочное течение магнитного абсорбента является неустойчивым при любых его расходах. Магнитное поле стабилизирует пленочное течение жидкости. Стабилизирующее действие однородного и неоднородного магнитных полей проявляется по-разному. Неоднородное магнитное поле ( О: 1 0) с градиентом, направленным к

1 2 774

поверхности проводника, при некоторых значениях магнитных чисел

Бонда полностью стабилизирует пленочное течение магнитного абсорбента. С увеличением чисел Рейнольдса стабилизация пленочного течения происходит в магнитных полях, характеризующихся большими значениями магнитных чисел Бонда (Вот» 1). Для любых чисел Рейнольдса найдутся такие магнитные поля, в которых возможна полная стабилизация пленочного течения.

При фиксированном числе Рейнольдса пленки жидкости в неоднородном магнитном поле характер зависимости волнового числа от магнитного числа Бонда нейтральной устойчивости ( TmC=0) имеет вид, изображенный на рис. 4, а. С увеличением градиента магнитного поля ( чисел ВОт) волновые числа уменьшаются и при определенных ( критических) значениях ВО^Р обращаются в нуль, т. е. происходит полная стабилизация течения.

Вшяние однородного магнитного поля (0; 0; Hoz) на устойчивость пленочного течения проявляется в резком уменьшении области неустойчивых возмущений (рис. 4, б). Существенным оказывается тот факт, что в однородном магнитном поле невозможно достижение полной стабилизации пленочного течения. Как видно из графика зависимостей волновых чисел от параметра S при нейтральной устойчивости, при любом магнитном поле существует некоторая область длинноволновых возмущений, которые способны вызвать неустойчивость массообменной поверхности.

При взаимодействии пленки магнитного абсорбента с газом в кольцевом зазоре между цилиндрами в условиях отсутствия магнитного поля картина устойчивости пленочного течения имеет вид, изображенный на рис. 5 (кривая 1). Нейтральная кривая 1 имеет две симметричные ветви. Правая ветвь в области отрицательных значений расходов газа характеризует устойчивость противоточных течений. Левая имеет место при восходящем прямотоке. Точка К* соответствует режиму „подвисания" пленки жидкости.

В магнитном поле картина устойчивости пленочного течения магнитного абсорбента, взаимодействующего с ламинарным потоком газа, меняется. Неоднородное магнитное поле с градиентом, направленным от поверхности раздела к стенке проводника, сужает область неустойчивого «пленочного течения, а также увеличивает диапазон расходов газа п£и котором пленочное течение устойчиво ( рис. 5, кривая 2). Существуют значения магнитных чисел Бонда, при которых пленочное течение становится абсолютно устойчивым, как в области

прямоточных, так и в области противоточных течений. Критические значения магнитных чисел Бонда, при которых наступает полная стабилизация пленочного течения в области противоточных расходов газа, показаны на графике на рис. 6. Представление указанных на графике величин в размерном виде позволяет сделать вывод о том, что при скоростях газового потока, соответствующих 40 м/с, стабилизация магнитного абсорбента происходит в магнитном поле напряженностью 110 А/м. Градиент напряженности магнитного поля при этом соответствует 360 к А/м2.

Что касается однородного магнитного поля (0; 0; Ног), то его воздействие на процесс пленочного течения при взаимодействии с газом сводится к резкому уменьшению области неустойчивого пленочного покрытия без изменения диапазона расходов газа, при котором течение устойчиво (рис. 5, кривая 3). Таким образом, полной стабилизации пленочного течения в однородном магнитном поле не происходит.

В пятой главе описываются экспериментальные исследования устойчивости пленочного течения, выполненные на установке, схематически изображенной на рис. 7. Рабочий участок установки представляет собой вертикальный кольцевой зазор с внутренней трубок 3 из латуни и прозрачным стеклянным соосиым цилиндром 2. Магнитная жидкость через штуцер 1 и конусообразный зазор, изменяющийся в пределах 0,1 - 1 мм, подается на внутреннюю трубу ( проводник с током). Подача воздуха осуществляется только через кольцевой конфузор В, имеющий трубные вертикальные отверстия. Разделительная стенка 4 между магнитной жидкостью и воздушным конфузором оканчивается острой кромкой. Подача воздуха, таким способом, обеспечивает его равномерное распределение по кольцевому зазору и позволяет создавать ламинарный воздушный поток, касательный к свободной поверхности стекающей пленки магнйтной жидкости.

Линейные скорости движения воздуха, а также перепад давления в зазоре измерялись с помощью трубок Пито, соединенных с чашечным микроманометром.

Внутренняя труба 3 была подключена к селеновому выпрямителю, позволяющему плавно изменять ток в ней от 0 до 600 А. Протекающий по трубе ток создавал осесимметричное магнитное поле в области течения пленки магнитной'жидкости. Прокачивание воды через внутреннюю-трубу 3 с помощью термостата обеспечивало температурную стабилизацию характеристик магнитной жидкостр и воздушного потока.

ю

Основные выводы из экспериментов, выполненные на указанной установке, заключаются в следующем. Пленочное течение магнитной жидкости со свободной поверхностью является неустойчивым. Неустойчивость связана с образованием крупных кольцевых волн на поверхности пленки, длина которых уменьшается с увеличением расходов жидкости. В магнитном поле (О; 1 ; 0) с возрастанием гра-

1 7гч

диента напряженности длины волн поверхностной неустойчивости увеличиваются и при определенных значениях магнитного поля (магнитных чисел Бонда) полностью пропадают. Пленочное течение становится абсолютно гладким. При взаимодействии с гамм в области противоточных течений, в случав, когда магнитное поле отсутствует, неустойчивость пленочного течения имеет место при любых расходах газа, вплоть до режима подвисания. С увеличением скоростей газового потока течение становится неустойчивым к возмущениям с большей длиной волны. В неоднородном магнитном поле, с градиентом, направленным к стенке проводника, наступает стабилизация пленочного течения мшгнитной жидкости, взаимодействующей с газом, при определенных значениях магнитных чисел Бонда. В экспериментах опреоелены критические значения магнитного поля, то есть такие, уменьшение которых при заданной скорости газового потока приводит к неустойчивости пленочного течения. Результаты экспериментального исследования неустойчивости при взаимодействии пленки с газом изображены на рис. 6 точками. Расположение экспериментальных точек ниже теоретической кривой ( кривая 1) объясняется, по-видимому, влиянием нелинейных эффектов, а также принятым линейным законом намагничивания жидкости.

Таким образом, в ходе экспериментов в соответствии с основными выводами теории было подтверждено стабилизирующее действие неоднородного магнитного поля на пленочное течение жидкости в области противотока. Доказана абсолютная устойчивость течения магнитного абсорбента в исследуемом магнитном поле в широком диапазоне определяющих параметров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненные в 4-й и 5-й главах теоретические и экспериментальные исследования по устойчивости пленочного течения магнитного абсорбента в вертикальном кольцевом зазоре позволили использовать

результаты по исследованию устойчивости применительно к происходящим в пленках процессам переноса. Полученная в 4-й главе графическая зависимость, представленная на рис. 6 (исследованная также экспериментально), позволяет определить скорости газового потока в магнитном поле, при котором пленка магнитного абсорбента течет устойчиво. Вшяние роста линейных скоростей газа на процессы переноса, как установлено в главе 2, приводит к тому, что можно добиться одного и того же эффекта от массообмена на более коротком массообменном участке, что позволяет сократить его длину. Таким образом, при проведении абсорбционного процесса в магнитном поле произведенные исследования позволяют расчитать, во сколько раз сократится длина массообменного участка абсорбера в зависимости от величины управляющего магнитного поля, а также, в соответствии с данными в главе 2, позволяют установить, как изменятся диффузионные числа Нусельта и коэффициенты массопередачи при осуществлении процессов переноса в магнитном поле с использованием магнитного абсорбента или магнитного теплоносителя. Так, к примеру, в радиально неоднородном магнитном поле с градиентом напряженности 360 кА/м2 диффузионные числа Нусельта и коэффициенты массопередачи возрастут приблизительно в 2 раза.

„ Исследования оптимальных форм массообменной поверхности, а также ламинарных пленочных течений, выполненные в 3-й главе, показали, что при применении магнитного абсорбента или магнитного теплоносителя можно использовать как цилиндрические, так и плоскопараллельные магнитные насадки при определенном способе их намагничивания. Таким образом, создание необходимой. формы контактной поверхности и повышение ее устойчивости позволяют осуществить процессы переноса в магнитном поле и обеспечивают их интенсификацию. Коротко основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Установлена интенсификация массообменных процессов при пленочной абсорбции во внешних магнитных полях за счет управления устойчивостью пленочных течений магнитного абсорбента. Показано, к примеру, что магнитное поле с градиентом напряженности 360 кА/м2 обеспечивает стабилизацию пленочного течения при увеличении скорости газового потока в 5 раз, что аналогично сокращению длины массообменного аппарата или теплообменника приблизительно в 7 раз.

2. Разработаны теоретические основы управления пленочных течений магнитного абсорбента. Показано влияние магнитного поля на ламинарные течения магнитожидкостных пленок. Определены основные характеристики (профили скоростей, расходы, формы мас-сообменной поверхности) для цилиндрических течений в управляющем магнитном поле в двух случаях: при гравитационном течении пленок жидкости, взаимодействующих с набегающим потоком газа и при течении, осуществляемом за счет создания перепада уровней.

3. Поставлена и решена задача об устойчивости пленочного течения магнитного абсорбента в кольцевом зазоре между цилиндрами в условиях взаимодействия с газовым потоком. Получены кривые нейтральной устойчивости в магнитном поле.

4. Доказана абсолютная устойчивость пленочного течения магнитного абсорбента, взаимодействующего с газом в магнитном поле ( 0; 1 ; 0) в широком диапазоне определяющих параметров. Пока-

2 7ГЧ

зано, что существуют магнитные числа Бонда ( характеризующие степень неоднородности магнитного поля), при которых возможна полная стабилизация пленочного течения магнитного абсорбента как в области прямоточных, так и в области противоточных расходов газа.

5. Установлено, что однородное магнитное поле, коллинеарное поверхности раздела, резко уменьшает область неустойчивых возмущений, однако не приводит к полной стабилизации жидкости. С ростом поля происходит уменьшение инкремента и рост длины волны неустойчивых возмущений.

6. Экспериментально подтверждены основные выводы теории относительно стабилизации магнитным полем пленочного течения магнитного абсорбента, взаимодействующего с газом; доказана правомерность использования линейного метода.

7. Найдены критерии оптимальности плоских магнитожидкостных насадок с периодическим намагничиванием и показано, что в случае, когда средняя толщина магнитожидкостной пленки равна 1/25 части длины волны намагничивания насадок, пленка магнитного абсорбента становится сплошной и покрывает всю поверхность наса-дочных тел.

8. Обнаружены конфигурации магнитного поля насадок, легко рэализуемые практически и обеспечивающие равномерное распределение магнитного абсорбента по их поверхности.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Хг~ магнитная восприимчивость, Н — напряженность магнитного поля, С — градиент напряженности, М — намагниченность, р— магнитная проницаемость среды, I - ток в проводнике,^, V» б, О, V — динамическая и кинематическая вязкость, плотность, поверхностное натяжение, расход и скорость фазы, С — фазовая скорость, а0 — толщина пленки жидкости, - точки свободной поверхности, Ао — равновесная граница раздела, п — волновое число, «р, Ф - возмущения поверхности и магнитного поля, I. — длина волны намагничивания насадок, I — образующая цилиндра, — эллиптические координаты, а — большая полуось эллиптического сечения.

Безразмерные комплексы: _ ао ^ср- — число Рейнольдса,

* /

пп — магнитное число Бонда, с - -5_ М Ао . крите.

т ^Т^о б

рий, характеризующий отношение магнитного давления к капиллярному, к - перепад давления в зазоре,

- критерий доверхностной неустойчивости, Т1 = ( Р4! — /Чз) Н2/£ Уср-критерий, характеризующий отношение магнитного скачка давления к динамическому, ао - диффузионное число Нусельта.

й

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баштооой В Г., Денисенко Т. Д., Кондратьев В А., Бер лин М. А.,Ц ыбулеаский А. М., Антилоп В А. Некоторые пленочные течения намагничивающейся жидкости. - Магнитная гидродинамика

1980, Л" 2, с. 31 - 34.

2. Денисенко Т. Д. Ихледования некоторых типов магнитных насадок феррожидкостных масеообменных устройств. - В кн.: Про блемы механики магнитных жидкостей, Минск, ИГМО АН БССР

1981,с. 117 - 130.

3. Баштовой В Г., Денисенко Т. Д. Течение тонких слоев нама гничивающейсп жидкости по цилиндрической насадке. - В кн.: Тез докл. П Всесоюзной школы-семинара по магнитным жидкостям (Плес, 21-26 сентября 1981 г. ). УЬд-во Моск. ун-та, 1981, с. 57

4. А. С. 904753 (СССР). Массообменный аппарат. /Авторы: Берлин М. А., Баштовой & Г.,Ц ыбулввский А. М., Кондратьев а А., Соколенко В Ф., Антипов а А., Денисенко Т. Д. - Опубл. в Б. И., 1982, №6.

5. А. с. 891152 (СССР). Магнитный сепаратор. /Авторы: Берлин М. А., Кондратьев В А., Соколенко аФ.,Антипоз а А., Денисенко Т. Д.,- Опубл. в Б. И, 1981, №47.

6. Баштовой В Г., Берлин М. А., Денисенко Т. Д., Кондратьев В А., Соколенко В Ф., Фойгель Р. А. Магнитные насадки и гидродинамика намагничивающихся жидкостей массообманных устройств. — Магнитная гидродинамика, 1982, № 1, с. 77-80.

7. Денисенко Т. Д. Устойчивость течения тонкого слоя намагничивающейся жидкости по цилиндрической поверхности при взаимодействии с газовым потоком. - Материалы Вэсьмой международной конференции по МГД - преобразованию энергии ( Москва, сентябрь, 1983 г.). М.. Iе 71/, т. 5, с. 168 -171.

8. Денисенко Т. Д. Епияние магнитного поля и газового потока на устойчивость течения пленки магнитной жидкости по цилиндрической поверхности. - В кн.: Магнитные жидкости: научные и прикладные исследования, Минск, ИГМО АН БССР, 1983, с. 129- 139.

9. Баштовой В Г., Денисенко Т. Д. Некоторые типы магнитных наездок фэррожидкостных массообменных устройств. - В кн. : Тез. докл. ЕЬесоюзной конференции по проблемам феррогидродинамики а судостроении ( Николаев, 24- 26 июня 1981 г.). Николаевский кораблестроительный ин-т, 1981, с. 47.

10. Баштовой В Г., Денисенко Т. Д., Рекс А. Г. Устойчивость пленочного течения магнитной жидкости. - Магнитная гидродинамика, 1986, № 1, с. 61-68.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Бояджиез Хр., ЕЬлчев Л. Абсорбция газа жидкостью при ламинарном течении в горизонтальном канале. - Теоретические основы химической технологии, 1971, в. 5, №6, с. 912- 915.

2. Бабак В. Н., Бабак Т. Б., Холпанов Л. П., Малюсов а А., Же >оронкоз Н. М. Численное решение задачи об установившемся дзухфазном массообмене при ламинарном течении пленки жидкости и газа з режимах прямоточного и противоточного движения фаз. -В кн.: Тепло - и мзссопзренос, Минск, ИГМО АН БССР, 1972, т. 4, с. 233 - 244.

3. Баштсзой В Г., Беркопский Б.М., Внслович А. Н. Введение d т?рг„оглзхг!1ику мзгнит.чмх жидкостей. - М.: ИВГАН. - 188, ил.

Батыгин В В, Топтыгин И, Н. Сборник задач по электродинамике. - М.: Наука, 1970, с. 72.

5. М. Набиль Есмаль. О течение тонких пленок жидкости, взги-модействующих с газозым потоком: Дис. на соиск. учен. степ. канд. физ. - мат. наук. - М.: Моск. ун-т. 1972, с. 151.

г

г.

о я

Г

Рис.1 Магнитные насадки

Пс= сотЬ

5

а рис. 2 У

Формы массообмениой поверхности магнитного абсорбента на плоской магнитной насадке при различных расходах:

а — в случае разрывной пленки длп половины канала ( 1 -0о/1_ =0,42 • Ю-3, 2-1,7 • 10~3, 3-3,7-Ю-3, 4-6,6-1 О-3, 5-9,5 • Ю-3, 6- 13,5 • Ю-3, 7 - 17,7 • 10_3); б - в случае сплошной пленки ( Т - а /I. = 1/4, 2 - 1/5, 3 — 1/П0)

0-0,ПМ

3

2

1

О 0,2 0,4 0.6 0,8 I

I

Формы массообменной поверхности магнитного абсорбента при течении вдоль цилиндра. 1 - теоретическая кривая, 2, 3 - экспериментальные для жидкости с намагниченностью М = 20 и 40 кА/м

Рис. 3

<1 0,6 ом

0,2

п

0,6 0Л 0/2

0 2 4 6 8 Вот О ол 0,8 12 1.6 2 5

а

Рис.4

Нейтральные кривые при отсутствии расходов газа: а — в неоднородном магнитном поле, б — в однородном магнитном поле ( Ве = 7, 03)

-0,-18 -0,-14 -0Л --ОД 6 -0,02 К

Рис- 5

Нейтральные кривые при взаимодействии пленки с газом. 1 - в отсутствие магнитного поля, 2 - в неодИород'ном^агнитном поле ( ВО = 7)-, 3 - в однородном маснитном поле ( Т = (¿7).

1

-олч

Рис. 6

Зависимость критических значений ВО

т

от

расходов воздуха

Рис.7

Схема экспериментальной установки