Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой и транспортируемой магнитным полем

Мьо Мин Тан

Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой и транспортируемой магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Мьо Мин Тан АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой и транспортируемой магнитным полем»

Автореферат диссертации на тему "Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой и транспортируемой магнитным полем"

Мьо Мин Тан

УПРУГИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТЬЮ, СОЗДАВАЕМОЙ И ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 ПАР 2014

КУРСК-2014 005545882

005545882

Мьо Мин Тан

УПРУГИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТЬЮ, СОЗДАВАЕМОЙ И ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КУРСК-2014

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

Научный руководитель: Полунин Вячеслав Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор, Официальные оппоненты: Морозов Владимир Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова Бондаренко Елена Александровна кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики института математики и естественных наук Северо-Кавказского федерального университета

Ведущая организация: Уральский федеральный университет имени

первого Президента России Б.Н.Ельцина, г. Екатеринбург

Защита состоится «24» апреля 2014 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, ауд. Г - 824.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета и на сайте Юго-Западного государственного университета www.swsu.ru.

Автореферат разослан « 1» марта 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук О-'/'^Ж?,__Рослякова Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой высокодисперсные стабилизированные коллоидные растворы магнитных наночастиц в немагнитных жидкостях. Их создание относится к числу наиболее значимых достижений нанотехнологий. Благодаря уникальному сочетанию "взаимоисключающих" физических свойств (намагничивание и текучесть) МЖ нашли применение в различных областях науки и техники: сепарация немагнитных дорогостоящих материалов, очистка водной поверхности от загрязнения нефтепродуктами, магнитожидкостные герметизаторы, наполнители зазоров магнитных головок громкоговорителей, управляемые акустические контакты и др.

В большинстве устройств магнитная жидкость служит наполнителем межполюсных зазоров или оболочек, размещенных в межполюсной области и частично заполненных воздухом. Удерживаемая неоднородным магнитным полем капля магнитной жидкости, подпружиненная изолированной газовой полостью, способна совершать колебания. Проявление резонансных свойств возникающих колебательных систем при определенных условиях может существенно повлиять на технические характеристики устройств. Особенностью таких систем является зависимость упругих и диссипативных свойств от протекания специфических для инерционного элемента - МЖ процессов: испарения жидкости-носителя, растекания по поверхности твердой оболочки, магнитодиффузии, агрегирования магнитных наночастиц, межфазного теплообмена.

Уникальными и все еще не до конца изученными являются реологические свойства МЖ. Экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными Me Taque J.P., Hall W. F., Бибиком E.E, Майоровым M.M., Варламовым Ю.Д., Каплуном А.Б., Суязовым В.М., Шпиомисом М.И., Пшеничниковым А.Ф., Мартыновым С.И., Ивановым А.О., Диканским Ю.И. показано, что магнитные коллоиды характеризуются дополнительной структурной вязкостью, обусловленной процессами

агрегирования феррочастиц, анизотропией вязкости в магнитном поле, связанной с внутренним вращением и преимущественной ориентацией вытянутых агломератов ферромагнитных частиц. Однако, остается открытым вопрос о границах применимости концепции ньютоновской жидкости при разработках теоретических моделей течения концентрированного магнитного коллоида для ситуаций, близких к условиям эксплуатации устройств с магнитожидкостными активными элементами, в частности, при наличии вибраций и динамического взаимодействия жидкой и парогазовой фаз.

Исследования колебательных систем с магнитожидкостным упруго-вязким элементом в определенной степени отражены в работах Сагу В.В., Fenlon F.H., Баштового В.Г., Кракова М.С., Родионова A.A., Соколова В.В., Баева А.Р., Чеканова В.В., Лебедева A.B. Подробный обзор этих работ изложен в монографии Полунина В.М. [1].

Сообщение о стабилизации нижней поверхности столбика МЖ в трубке при помощи неоднородного магнитного поля приводится в работе [2] Однако ни в этой, ни в других научных публикациях не было сообщений об изучении упругих свойств колебательной системы магнитная жидкость -герметизируемая ею воздушная полость. Между тем результаты исследования данного процесса могут быть полезны для расширения экспериментальной базы вибро- и магнитореологии МЖ. Известная методика экспериментального исследования структуры МЖ, в которой используется колебательная система с МЖ, заполняющей U-образную трубку, в некоторых случаях не может быть предпочтительной - например, при проведении большой серии измерений. В процессе получения данных значительное время занимает чистка трубки и последующее ее заполнение новым образцом. В этом отношении представляет интерес методика измерений, основанная на использовании колебательной системы с воздушной полостью в МЖ, удерживаемой силами магнитной левитации. Предложенная методика характеризуется простотой реализации и возобновления измерений с образцами МЖ различной вязкости. Постепенность пристеночного

перетекания жидкости в процессе захвата и перемещения воздушной полости вверх или вниз по трубке в различном скоростном режиме движения магнита открывает возможность проведения магнитореологического тестирования образцов МЖ.

В прикладном отношении процесс герметизации воздушной полости МЖ в неоднородном магнитном поле помимо хорошо известного применения в магнитожидкостных герметизаторах и уплотнителях представляет собой новый элемент мехатроники, имеющий перспективу применения в автоматике и робототехнике. Данное явление может найти применение в устройствах взятия проб газа и их хранения для последующего анализа. При использовании высокоградиентного магнитного поля можно проводить интенсивное перемешивание дисперсной системы.

Изучение новых возможностей управляемого образования и перемещения воздушных полостей в МЖ и физической природы упруго-диссипативных свойств получаемых колебательных систем представляет интерес для различных отраслей физической науки: физики конденсированного состояния, магнитной гидродинамики, механики жидкости и газа, акустики нанодисперсных систем.

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

Целью настоящей работы является исследование упругих свойств магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и транспортируемой в ней магнитным полем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику исследования, создать комплексную компьютеризированную экспериментальную установку, предназначенную для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, а также для изучения параметров колебательной системы магнитная жидкость - герметизируемая

воздушная полость.

- изучить возможность использования транспортируемой под действием неоднородного магнитного поля в магнитной жидкости воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны;

- используя уникальную возможность управления упругими параметрами колебательной системы за счет транспорта воздушной полости вдоль столбика МЖ и укрупнения полости при помощи самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны, произвести измерения упруго-диссипативных параметров с вариацией коэффициента упругости и вязкости жидкости-носителя;

- произвести сравнение упругих параметров исследуемой колебательной системы (частота колебаний, коэффициент упругости), полученных экспериментально и на основе модельной теории;

- провести визуальное наблюдение эволюции формы поверхности магнитной жидкости на начальном этапе образования магнитожидкостной перемычки при движении кольцевого магнита вдоль оси трубки вверх к свободной поверхности;

- разработать теоретическую модель начального этапа образования магнитожидкостной перемычки при движении кольцевого магнита вдоль оси трубки вверх к свободной поверхности жидкости;

- изучить возможность использования воздушной полости в магнитной жидкости, перемещаемой магнитным полем, в качестве подвижного акустического рефлектора;

- провести анализ результатов измерений коэффициента затухания колебаний исследуемых колебательных систем и сделать вывод о вкладе механизма диссипации энергии, описываемого формулой Гельмгольца

Объектом исследования являются образцы нанодисперсной

магнетитовой МЖ, приготовленные на основе различных жидкостей

(керосин, синтетическое углеводородное масло, ПЭС-2, минеральное

углеводородное масло, ПЭС-4). Предмет исследования - упругие свойства

магнитной жидкости с образуемой и транспортируемой в ней при помощи магнитного поля воздушной полостью.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Разработана методика и создана экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, изучения упругих и диссипативных свойств полученной колебательной системы - магнитная жидкость с герметизируемой ею воздушной полостью;

2. На основе принципа действия ультразвукового интерферометра доказана возможность транспорта воздушной полости в магнитной жидкости, управляемого магнитным полем, и использования этого явления в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации;

3. Путем визуальных наблюдений и теоретического моделирования, а также на основе измерений упругих параметров колебательной системы перемычка - воздушная полость доказана возможность герметизации и укрупнения до «больших» объемов воздушной полости за счет создания самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны при перемещении источника магнитного поля вверх к свободной поверхности магнитной жидкости;

4. Получен массив экспериментальных данных, характеризующих упругие свойства создаваемых колебательных систем; проведено сопоставление вкладов в коэффициенты упругости и затухания наиболее вероятных механизмов их формирования; установлено условие ограничения применимости формулы Гельмгольца по отношению высоты столбика МЖ к диаметру трубки, связанное с краевыми эффектами.

Положения, выносимые на защиту;

1. Методика и экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, изучения упругих и диссипативных свойств

колебательной системы - магнитная жидкость с герметизируемой ею воздушной полостью;

2. Процесс создания, герметизации и укрупнения до «больших» объемов воздушной полости за счет управляемого магнитным полем перемещения самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны вверх от свободной поверхности магнитной жидкости. Для описания данного явления использованы результаты визуальных наблюдений и теоретического моделирования начальной стадии образования магнитожидкостной перемычки, а также результаты измерений упругих параметров колебательной системы перемычка - воздушная полость;

3. Использование транспортируемой магнитным полем в магнитной жидкости воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации.

4. Вывод об ограничении применимости формулы Гельмгольца для оценки вклада в коэффициент затухания колебаний вязкой жидкости в трубке, обусловленном краевыми эффектами. Условием пригодности модели помимо известного требования по соотношению длины вязкой волны и диаметра трубки является требование о превышении высоты столбика жидкости над диаметром трубки более чем в 7 раз.

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

существующих устройств, использующих магнитожидкостную герметизацию, в числе которых, устройства для взятия проб газа, их хранения и последующего анализа, счетчики и дозаторы газа, используемые в химико-технологическом производстве, фармацевтике, и приборы для демонстрации уникальных свойств магнитных жидкостей в учебном процессе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование упругих свойств нанодисперсной магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и транспортируемой в ней магнитным полем.

Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности:

п. 2.

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

Публикации: Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 12 работах, из них 5 в рецензируемых журналах и изданиях.

Личный вклад автора: по теме диссертационной работы подробно за период с 2000 г. по настоящее время изучена научная, научно-техническая литература и периодические издания в РФ и за рубежом; разработаны

методики и экспериментальные установки для исследования физических механизмов образования, роста и перемещения воздушной полости в магнитной жидкости неоднородным магнитным полем, а также исследований упругих свойств полученных систем; выполнен весь объём экспериментальных и теоретических исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 109 страницах и содержит 34 рисунков, 13 таблиц и 96 наименований цитируемой литературы.

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

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

В главе 2 описаны методы исследования и комплексная компьютеризированная экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, а также изучения параметров колебательной системы магнитная жидкость - герметизируемая воздушная полость. Комплексная установка состоит из 3-х модулей, имеющих самостоятельное функциональное назначение.

На рис.1 показана блок-схема модуля 1, предназначенного для выявления возможности использования транспортируемой воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны. Сигнал с генератора звуковых колебаний 1 поступает параллельно на частотомер 2, вольтметр 3 и пьезопластинку 4, прижатую к крышечке акустической ячейки 5. Проходя через столбик МЖ 6, расположенный под воздушной полостью 7,

звуковая волна отражается от ее нижней поверхности. В результате упругих колебаний нижней поверхности воздушной полости на катушке индуктивности 8, вмонтированной в постоянный кольцевой магнит 9, возникает переменная ЭДС. Переменная ЭДС после усиления селективным усилителем 10 поступает параллельно на осциллограф 11 и аналого-цифровой преобразователь 12, соединенный с компьютером 13. Магнит с катушкой индуктивности, закрепленный на кинематическом узле катетометра 14, плавно перемещается вдоль оси трубки с МЖ и одновременно силами магнитной левитации перемещает воздушную полость 7. Перемещение магнита фиксируется с точностью 0.01 мм, при этом сигнал с катушки индуктивности снимается через каждые 0.5 мм.

Блок-схема модуля 2, предназначенного для измерения колебательных параметров колебательной системы, инерционным элементом которой служит столбик магнитной жидкости, расположенный над газовой полостью, приведена на рис.2. Чтобы избежать повторений с описанием рис.1, в описании блок-схемы данной установки перечислим лишь отдельные элементы, используемые в решении поставленной задачи. Поршень 15, закрывающий верхний конец трубки, используется для возбуждения колебаний столбика МЖ, находящегося в равновесном состоянии. В поршне имеется сквозное отверстие, которое дает возможность введения поршня в трубку без изменения давления. Перед выдергиванием поршня отверстие

Рис. 1. Блок-схема модуля I

Рис. 2. Блок-схема модуля 2

перекрывается пальцем руки. Сигнал, принимаемый катушкой индуктивности 8, поступает на широкополосный усилитель 10, а затем - на аналого-цифровой преобразователь 12 и компьютер 13. На АЦП поступает также сигнал от пьезоэлемента 4. Прием и начальная обработка сигналов, поступающих с пьезоэлектрического и индукционного датчиков, осуществляется программой, разработанной в среде N1 Lab View.

Используемый кольцевой магнит имеет следующие габариты: внутренний диаметр - 25 мм, внешний диаметр - 50 мм, толщина - 5 мм. Осевая составляющая напряженности магнитного поля в центре магнита-91 кА/м.

Схема модуля 3, предназначенного для создания герметизированной воздушной полости «большого» объема и изучения упруго-диссипативных свойств получаемой колебательной системы, показана на рис.3. Стеклянная трубка с донышком 1,

наполненная МЖ 2, жестко закреплена на металлической конструкции 3 при помощи фиксирующего фланца 4, выполненного из немагнитного металла. Соосно трубке расположен кольцевой магнит 5, закрепленный на узле 6. В исходном положении кольцевой магнит расположен ниже уровня донышка трубки. Узел 6 перемещается по валу 7 при помощи винтовой передачи от двигателя 8. Вращению узла 6 препятствует фиксирующее устройство 9, закрепленное на 8. В магнит 5 вмонтирована катушка индуктивности 10, сигнал с которой передается с помощью АЦП 11 в ПК 12 для дальнейшей обработки. Двигатель 8 позволяет задавать направление движения узла 6 и регулировать скорость его движения до максимального значения 0,84 мм/с. Магнитожидкостная перемычка 13 расположена в плоскости симметрии

кольцевого магнита 5. Внутри трубки между перемычкой и свободной поверхностью МЖ расположена изолированная МЖ-перемычкой воздушная полость (без указания номера) высотой к0. При медленном подъёме кольцевого магнита при помощи подъёмного устройства в изолированной воздушной полости создаётся перепад давления. При достижении значения критического перепада давления Рк происходит разрыв магнитожидкостной перемычки. Процесс возникающих колебаний перемычки (магнитожидкостной мембраны) фиксируется при помощи катушки индуктивности 10. В каждом модуле используется один и тот же кольцевой магнит.

Частота свободных затухающих колебаний столбика МЖ и магнитожидкостной мембраны (МЖМ) находится как величина обратная периоду, вычисленному по времени определенного числа полных колебаний непосредственно с осциллограммы на экране монитора. Внутренний диаметр используемых трубок - 13,5 мм. Измерения выполнены при температуре 31±0.2°С.

В главе 3 приведены основные параметры образцов МЖ, исследуемых в экспериментах и результаты экспериментальных исследований.

В таблице 1 представлены физико-химические параметры, характеризующие исследуемые образцы МЖ.

Таблица 1

Образец МЖ р (кг/м1) Жидкость-носитель М, (кАУм) V (Па-с)

МЖ-1 1252 керосин 35 0,012

МЖ-2 1385 ПЭС-2 34 0,125

МЖ-3 1282 минеральное углеводородное масло 34 0,368

МЖ-4 1405 ПЭС-4 34 0,630

МЖ-5 1290 синтетическое углеводородное масло 34 1,110

МЖ-6 1315 керосин 46 -

Образец МЖ-6 приготовлен по методике химической конденсации на кафедре нанотехнологий и инженерной физики ЮЗГУ. В качестве дисперсной фазы используется наноразмерный магнетит Ре304, в качестве

жидкости-носителя - керосин, стабилизатором служит олеиновая кислота. Измерение плотности р проведены методом пикнометра, намагниченность насыщения Мх получена стандартным методом - по наклону кривой намагничивания в области магнитного насыщения [6].

Образцы МЖ-1, МЖ-2, МЖ-3, МЖ-4 и МЖ-5 синтезированы в проблемной научно-исследовательской лаборатории прикладной феррогидродинамики ИГЭУ (г. Иваново). Данные образцы характеризуются различной дисперсионной средой и, что существенно в нашем случае, -различной вязкостью. Плотность МЖ измерена в соответствии с ГОСТ 18995.1-73. Измерение пластической вязкости ц проведено по ГОСТ 26581-85 на ротационном вискозиметре "КНЕОТЕБТ 4.1". Намагниченность

насыщения МЖ получена баллистическим методом.

1. Опыт по изучению возможности использования транспо-

115 135 155 175 195 Рис. 4. Сигнал с катушки индуктивности при частоте звуковых колебаний 18,5 кГц

ртируемои воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны проводился на образце МЖ-6.

На рис.4 показана зависимость индуцируемой в катушке индуктивности ЭДС, выраженной в относительных единицах, от положения кольцевого магнита.

2. Опыт по исследованию колебательных параметров системы столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью проводился на всех исследуемых образцах МЖ.

Рис.5. Осциллограмма затухающих колебаний МЖ- столбика над воздушной полостью для образца МЖ-6

Кривые амплитудно-временной зависимости, получаемые с катушки индуктивности и с пьезоэлемента идентичны между собой. Зависимость переменной ЭДС, представленной в относительных единицах, от времени для образца МЖ-6, показана на рис. 5. В данном случае сигнал берется с пьезодатчика; высота столбика МЖ /г=10.5 см. Там же приведена огибающая данной зависимости, аппроксимированная экспоненциальной линией тренда. Экспериментальные данные по частоте колебаний V,, представлены в таблице 2

Таблица 2

h, мм 145 135 125 115 105 95 85 75 65 55

ve, Гц 46 51 53 56 59 63 66 71 78 86

vr, Гц 43 45 47 49 51 54 57 60 65 70

На рис.6 показаны радиоимпульсы от двух следующих друг за другом разрывов магнитожидкостной мембраны при следующих условиях эксперимента: трубка герметично закрыта резиновой пробкой; образец МЖ-1; высота заполнения трубки жидкостью 30 мм, высота воздушного столбика сверху и снизу от перемычки 180 м; скорость перемещения кольцевого магнита 0,84 мм/с.

и , .......1-1-;-;-i-;-1 ; i i ;i i i ,

0 25m Mm 75m IMm 125m 153m 175m Mm llir Mm 275m JSm 325m 350m 375m ffim 125m 150m ITSm 5»m J2Jm

Рис. 6 Радиоимпульсы после восстановления перемычки

На рис. 7 приведены экспериментальные данные по зависимости параметра характеризующего вклад в коэффициент затухания

Г, с"'

«невязких» механизмов и краевого эффекта, от высоты столбика МЖ Здесь Д; = (2/ с1 )л[т]У / р - коэффициент затухания по Гельмгольцу.

В главе 4 выполнен анализ полученных экспериментальных данных.

Форма поверхности МЖ на начальной стадии образования перемычки моделируется на основе концепции «отображения» геометрии свободной поверхности топографией изолиний модуля напряженности магнитного поля. Форма полученной

100

60 -

4020

* МЖ2 •ИЗ « МЖ4

А, см

! 4 6 8 10 12 Рис. 7.Зависимость параметра У от высоты столбика МЖ А

у=0.64х

поверхности напоминает лунку определенной глубины, что согласуется с данными визуального наблюдения.

Данные рис. 6 позволяют сделать вывод о создании, герметизации и укрупнении до «больших» объемов воздушной полости за счет управляемого магнитным полем перемещения 2.7

самовосстанавливающейся магнитожид-костной мембраны вверх от свободной поверхности магнитной жидкости.

На рис.8 результаты измерения коэффициента затухания колебаний с образцом МЖ-6 в диапазоне частот 46 -зависимости 1п((5е) от 1п(уе).

Из приведенных на рисунке данных следует, что частотная зависимость коэффициента затухания имеет вид Ду)~уа64. Показатель степени по жидкостям МЖ-2, МЖ-3 и МЖ-4 имеет значение соответственно:

1пЫ

3.9 4.3 4.7 5.1 Рис. 8. Зависимость 1п Д, от 1п уе

86 Гц представлены в виде

0,67; 0,75 и 0,76. Механизм вязкого течения пристеночных слоев МЖ предсказывают возрастание коэффициента затухания с частотой в пропорции /?(у)~у°"\ Полученное превышение значений показателя частотной зависимости коэффициента затухания над теоретическим объясняется присутствием других механизмов диссипации колебательной энергии системы «невязкой» природы, характеризуемых параметром у. Характерно, что для всех МЖ при высоте столбика жидкости ~ 9 см значение \|/= =32±2 с"1. Величина (*Р- 1Р0) - затухание, связанное с краевым эффектом. Отсюда следует вывод об ограничении применимости формулы Гельмгольца, обусловленном краевыми эффектами, требованием превышения высоты столбика жидкости над диаметром трубки более чем в 7 раз. О наличии данного ограничения свидетельствует и тот факт, что на графиках зависимости 1п(ре) от 1п(уе) «нижняя» экспериментальная точка лежит ниже, а «верхняя» находится выше прямой аппроксимации.

Лучшее согласие между теоретическими V, и экспериментальными значениями частоты колебаний столбика МЖ (таблица 2) получено при учете коэффициента пондеромоторной упругости.

Представленные на рис 4 осциллограммы позволяют сделать вывод, что транспортируемая магнитным полем в МЖ воздушная полость может быть использована в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально показана возможность захвата и удерживания «больших» объемов воздушной полости при помощи самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны.

2. Проведено визуальное и теоретическое изучение формы поверхности магнитной жидкости при подходе источника магнитного поля к ее свободной

поверхности снизу. Полученное «отображение» геометрии поверхности согласуется с данными визуального наблюдения.

3. Экспериментально определен коэффициент пондеромоторной упругости колебательной системы «столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью». Учет коэффициента пондеромоторной упругости приводит к лучшему согласованию экспериментальных и расчетных значений частоты колебаний системы.

4. Установлено, что в диссипацию энергии колебательной системы в общем случае вносят вклад механизмы пристеночного течения вязкой жидкости, межфазного теплообмена, акустического излучения в окружающую среду и краевые эффекты.

5. Зависимость параметра характеризующего вклад в коэффициент затухания колебаний «невязких» механизмов и краевого эффекта, от высоты столбика МЖ, позволяет сделать вывод об ограниченности применения формулы Гельмгольца соотношением высоты столбика МЖ и диаметра трубки 7:1.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Rosensweig R.E. Ferrohydrodynamics // Cambridge Monographs on Mechanics and Applied Mathematics. - New-York, 1985. 344 p.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Polunin, V.M. Elastic Properties of a Magnetic Fluid with an Air Cavity Retained by Levitation Forces [Текст] / V.M. Polunin, M.L. Boev, G.V. Karpova, Myo Min Than // Acoustical Physics.-2013.-Vol. 59.-No.l.-P.56-61.

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

3. Полунин, В.М. Форма поверхности воздушной полости в магнитной

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

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

5. Storozhenko, A.M. Interaction of physical fields under the acousto-magnetic effect in magnetic fluid [Текст] / A.M. Storozhenko, A.O.Tantsyura, P.A. Ryapolov, G.V. Karpova, V.M. Polunin, Myo Min Than // Magnetohydrodynamics . - 2011. - Vol. 47. - No. 4. - P. 345-358.

Другие публикации:

6. Полунин, В.М. Взаимодействие физических полей в концентрированной магнитной жидкости [Текст] / В.М. Полунин, А. М. Стороженко, П. А. Ряполов, Г .Т. Сычев, Мьо Мин Тан // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносисгем: Сб. трудов III Всероссийской научной конференции. - Ставрополь, 2011. С. 74-79.

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

8. Полунин, В.М. Генерирование электромагнитного импульса при образовании воздушных пузырьков в магнитной жидкости [Текст] / В.М. Полунин, M.JI. Боев, Мьо Мин Тан, В.М. Пауков // 15 Международная Плесская научная конференция по магнитным жидкостям: сборник научных трудов. - Плес, 2012. - С. 58-63.

9. Полунин, В.М. Колебательная система с упругим элементом на основе эффекта левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан,

П.А. Ряполов // Физическая акустика. Нелинейная акустика. Распространение и дифракция волн. Акустоэлектроника. Геоакустика: сборник трудов Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества», - Таганрог, 2012. -Т.1.- С. 93-97.

10. Полунин, В.М. Новый метод исследования, основанный на использовании эффекта магнитной левитации [Текст] / В.М. Полунин, М.Л. Боев, Мьо Мин Тан // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: сборник научных трудов Ш международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики». - Курск, 2012. - №38. -С. 77-82.

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

12. Мьо Мин Тан. Диссипация упругой энергии в колебательной системе [Текст] / Мьо Мин Тан // Будущее науки-2013: материалы Международной молодежной научной конференции. - Курск, 2013. С. 246-248.

Подписано в печать 20.02.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Печ.л. 1 . Тираж 100 экз. Заказ 10 . Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Мьо Мин Тан, Курск

ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201457399

Мьо Мин Тан

УПРУГИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТЬЮ, СОЗДАВАЕМОЙ И ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ МАГНИТНЫМ

ПОЛЕМ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.М. Полунин

КУРСК 2014

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С МАГНИТОЖИДКОСТНЫМ ИНЕРЦИОННО-ВЯЗКИМ ЭЛЕМЕНТОМ........................................................12

1.1. Синтез и основные физические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей...............................................................................................................12

1.2. Устройство и упругие свойства магнитожидкостной мембраны.............15

1.3. Колебательная система типа "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью"...........................................................................................18

1.4. Зарубежные исследования за последние 10 лет, близкие по тематике.... 27

1.5. Выводы, цель и задачи исследования..........................................................33

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ...................................................36

2.1. Описание первого, второго и третьего экспериментальных модулей.....36

2.2. Методика образования и укрупнения до «больших» размеров изолированной воздушной полости....................................................................42

2.3. Методика транспорта изолированной воздушной полости.......................47

2.4. Оценка погрешности измерения частоты и коэффициента затухания колебаний...............................................................................................................48

2.5. Методика определения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов................................................................................50

2.6. Выводы............................................................................................................51

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 53

3.1. Физические свойства объекта экспериментального исследования..........53

3.2. Транспорт воздушной полости в магнитной жидкости.............................55

3.3. Экспериментальные данные, характеризующие упругие и диссипативные

свойства полученных колебательных систем....................................................57

3.3.1. Опыты по исследованию колебательных параметров системы "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью".................................................57

3.3.2. Опыты по исследованию колебательных параметров системы "Магнитожидкостная перемычка над создаваемой ею воздушной полостью" 62

3.4. Выводы............................................................................................................71

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И ВЫВОДЫ........73

4.1. Теоретическое моделирование эволюции поверхности магнитной жидкости................................................................................................................73

4.2. Управляемый магнитным полем транспорт воздушной полости в магнитной жидкости.............................................................................................77

4.3. Анализ упруго-диссипативной характеристики колебательной системы "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью"................................78

4.3.1. Анализ результатов измерений на образце МЖ-6...................................79

4.3.2. Анализ результатов измерений на образцах МЖ-2, МЖ-3, МЖ-4, МЖ-5 .................................................................................................................................85

4.4. Анализ процесса укрупнения воздушной полости в магнитной жидкости на основе результатов акустических измерений...............................................91

4.5. Выводы............................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................96

Благодарности.......................................................................................................98

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................99

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой высокодисперсные стабилизированные коллоидные растворы магнитных наночастиц в немагнитных жидкостях. Их создание относится к числу наиболее значимых достижений нанотехнологий. Благодаря уникальному сочетанию "взаимоисключающих" физических свойств (намагничивание и текучесть) МЖ нашли применение в различных областях науки и техники: сепарация немагнитных дорогостоящих материалов, очистка водной поверхности от загрязнения нефтепродуктами, магнитожидкостные герметизаторы, наполнители зазоров магнитных головок громкоговорителей, управляемые акустические контакты и др.

В большинстве устройств магнитная жидкость служит наполнителем межполюсных зазоров или оболочек, размещенных в межполюсной области и частично заполненных воздухом. Удерживаемая неоднородным магнитным полем капля магнитной жидкости, подпружиненная изолированной газовой полостью, способна совершать колебания. Проявление резонансных свойств при определенных условиях может существенно повлиять на технические характеристики устройств. Особенностью такой колебательной системы является зависимость ее упругих и диссипативных свойств от протекания специфических для инерционного элемента - МЖ процессов: испарения жидкости-носителя, растекания по поверхности твердой оболочки, магнитодиф фузии, агрегирования магнитных наночастиц, межфазного теплообмена.

Уникальными и все еще не до конца изученными являются реологические свойства МЖ. Экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными Me Taque J.P., Hall W. F., Бибиком E.E, Майоровым M.M., Варламовым Ю.Д., Каплуном А.Б., Суязовым В.М., Шлиомисом М.И., Пшеничниковым А.Ф., Мартыновым С.И., Диканским Ю.И. показано, что магнитные коллоиды характеризуются дополнительной

структурной вязкостью, обусловленной процессами агрегирования феррочастиц, анизотропией вязкости в магнитном поле, связанной с внутренним вращением и преимущественной ориентацией вытянутых агломератов ферромагнитных частиц. Однако, остается открытым вопрос о границах применимости концепции ньютоновской жидкости при разработках теоретических моделей течения концентрированного магнитного коллоида для ситуаций, близких к условиям эксплуатации устройств с магнитожидкостными активными элементами, в частности, при наличии вибраций и динамического взаимодействия жидкой и парогазовой фаз.

Исследования колебательных систем с магнитожидкостным упруго-вязким элементом в определенной степени отражены в работах Сагу В.В., Fenlon F.H., Баштового В.Г., Кракова М.С., Родионова A.A., Соколова В.В., Баева А.Р., Чеканова В.В., Лебедева A.B.. Подробный обзор этих работ изложен в монографии Полунина В.М. [1].

Сообщение о стабилизации нижней поверхности столбика МЖ в трубке при помощи неоднородного магнитного поля приводится в работе [2] Однако ни в этой, ни в других научных публикациях не было сообщений об изучении упругих свойств колебательной системы магнитная жидкость -герметизируемая ею воздушная полость. Между тем результаты исследования данного процесса могут быть полезны для расширения экспериментальной базы вибро- и магнитореологии МЖ. Известная методика экспериментального исследования структуры МЖ, в которой используется колебательная система с МЖ, заполняющей U-образную трубку, в некоторых случаях не может быть предпочтительной - например, при проведении большой серии измерений. В процессе получения данных значительное время занимает чистка трубки и последующее ее заполнение новым образцом. В этом отношении представляет интерес методика измерений, основанная на применении колебательной системы с воздушной полостью в МЖ, удерживаемой силами магнитной левитации. Предложенная методика характеризуется простотой реализации и возобновления измерений с

образцами МЖ различной вязкости. Постепенность пристеночного перетекания жидкости в процессе захвата и перемещения воздушной полости вверх или вниз по трубке в различном скоростном режиме движения магнита открывает возможность проведения магнитореологического тестирования образцов МЖ.

В прикладном отношении процесс герметизации воздушной полости МЖ в неоднородном магнитном поле помимо хорошо известного применения в магнитожидкостных герметизаторах и уплотнителях представляет собой новый элемент мехатроники, имеющий перспективу применения в автоматике и робототехнике. Данное явление может найти применение в устройствах взятия пробы газа и хранения ее для последующего анализа. При использовании высокоградиентного магнитного поля можно проводить интенсивное перемешивание дисперсной системы.

Изучение новых возможностей управляемого образования и перемещения воздушных полостей в МЖ и физической природы упруго-диссипативных свойств получаемых колебательных систем представляет интерес для нескольких отраслей физической науки: физики конденсированного состояния, магнитной гидродинамики, механики жидкости и газа, акустики нанодисперсных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи;

колебательной системы магнитная жидкость - герметизируемая воздушная полость.

Объектом исследования являются образцы нанодисперсной

магнетитовой МЖ, приготовленные на основе различных жидкостей

(керосин, синтетическое углеводородное масло, ПЭС-2, минеральное

углеводородное масло, ПЭС-4). Предмет исследования — упругие свойства магнитной жидкости с образуемой и транспортируемой в ней при помощи магнитного поля воздушной полостью.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

Положения, выносимые на защиту:

совпадением данных нескольких независимых экспериментов, проведённых на одних и тех же образцах.

Научная и практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные экспериментальные и теоретические результаты позволяют установить условие применимости ранее используемой модели Гельмгольца. Они будут полезны при разработке и проектировании новых и модернизации существующих устройств, использующих магнитожидкостную герметизацию, в числе которых, устройства для взятия проб газа, их хранения и последующего анализа, счетчики и дозаторы газа, используемые в химико-технологическом производстве, фармацевтике, и приборы для демонстрации уникальных свойств магнитных жидкостей в учебном процессе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В

соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование упругих свойств нанодисперсной магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и транспортируемой в ней магнитным полем.

Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности:

п. 2.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на III

Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные

проблемы магнитных дисперсных наносистем (Ставрополь, 2011),

«Российской конференции по магнитной гидродинамике» (Пермь, 2012), «15

Международной Плесской научной конференции по магнитным жидкостям»

(Плес, 2012), научной конференции «Сессия научного совета РАН по

акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Таганрог,

2012), III Международной научной конференции «Актуальные проблемы

молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012), «XVIII Зимней школе

по механике сплошных сред» (Пермь, 2013), Международной молодежной

научной конференции «Будущее науки-2013» (Курск, 2013).

Личный вклад автора: по теме диссертац