Содержание к диссертации
Введение
Глава I 14
1.1. Анализ существующией классической дросселирующей гидроаппаратуры .14
1.1.1. Нерегулируемый гидравлический дроссель 14
1.1.2. Регулируемый гидравлический дроссель 15
1.2. Анализ существующих дросселирующих МР аппаратов .24
1.2.1. МР аппараты, регулирующие расход МР жидкости 24
1.2.2. МЖ запорные элементы .27
1.3. Электрогидродинамические дросселирующие устройства 29
Выводы 29
Глава II .31
2.1. МР жидкость в качестве рабочей среды .31
2.2. Гидромеханика объема МР жидкости и физические основы расчета МР и МЖ запорных элементов 34
2.2.1. Тензор напряжений в объеме МР жидкости без учета собственных вращений магнитных частиц .34
2.2.2. Действие магнитной силы на МР жидкость 35
2.2.3. Гидростатическое разделение магнетиков, магнитная левитация 35
2.2.4. Граница раздела МР жидкости и немагнитной жидкости в МР запорно регулирующих элементах 36
2.2.5. Сферический объем МР жидкости в магнитном поле, МЖ запорно регулирующий элемент 36
2.3. Гидродинамика турбулентного течения МР жидкости 36
2.4. Гидромеханика потока МР жидкости с учетом внутренних степеней свободы частиц и физические основы расчета вязкости МР среды
2.4.1. Понятие внутреннего вращения магнитной частицы по Шлиомису .38
2.4.2. Влияние внешнего магнитного поля на вязкостную характеристику МР жидко-сти 2.5. Особенности фазовых переходов в МР жидкостях .40
2.6. Процессы окисления рабочей среды МР системы
2.6.1. Окислительные процессы, протекающие в жидкости носителе .44
2.6.2. Влияние магнитных частиц на окислительные процессы, протекающие в МР жидкости .46
2.6.3. Влияние внешнего магнитного поля на окислительные процессы, протекаю
щие в МР жидкости .47
2.7. Предпосылки для постановки физической модели МР дросселя .51
2.8. Формулировка научной гипотезы рабочего процесса МР дросселя с комбинированным методом управления потоком 52
Выводы 55
Глава III .57
3.1. Совершенствование конструкции МР дросселя 57
3.2. Математическое моделирование рабочих процессов и расчет МР дросселя предложенной конструкции .65
3.2.1. Математическое моделирование рабочего процесса и расчет МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока предложенной конструкции, работающего в режиме постоянного управляющего магнитного поля 67
3.2.2. Математическое моделирование рабочего процесса и расчет МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока предложенной конструкции, работающего в режиме переменного вращающегося управляющего магнитного поля 71
3.2.2.1. Физическая модель МР дросселя 72
3.2.2.2. Численное решение физической модели 80
3.2.2.3. Реализация численного моделирования 93
3.2.3. Анализ математической модели МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока предложенной конструкции, работающего в режиме переменного вращающегося управляющего магнитного поля .97
3.3. Трехмерная визуализация результатов математического моделирования 101
3.4. Вариант применения МР дросселя предложенной конструкции .121
Выводы 123
Глава IV 4.1. Постановка натурного эксперимента, сопоставление и оценка результатов
4.1.1. Экспериментальное подтверждение адекватности полученных расчетных зависимостей и работоспособности конструкции МР дросселя .125
4.1.2. Сопоставление и оценка адекватности полученных данных .130
4.1.3. Анализ погрешности полученных данных 135
Выводы 136
Заключение .138
Основные результаты и выводы 139
Список литературы .140
Приложение. Акт внедрения
- Анализ существующих дросселирующих МР аппаратов
- Тензор напряжений в объеме МР жидкости без учета собственных вращений магнитных частиц
- Математическое моделирование рабочего процесса и расчет МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока предложенной конструкции, работающего в режиме постоянного управляющего магнитного поля
- Сопоставление и оценка адекватности полученных данных
Введение к работе
Актуальность работы:
На сегодняшний день широко распространены объемное регулирование
гидравлических приводов и регулирование посредством, как отдельных гидрав
лических дросселей, так и дросселирующих гидравлических распределителей
различной конструкции. Данные методы регулирования гидравлических приво
дов применяются: в системах автоматизации производственных процессов и
управления летательных аппаратов, в пищевой и нефтехимической промышлен
ности.
Важными народно-хозяйственными задачами являются повышение надежности и эффективности гидравлических систем. Существующие в классической гидравлике методы дросселирующего регулирования потока преимущественно основаны на изменении сечения проточной части гидравлического аппарата, изменяющего расход рабочей среды при помощи подвижного запорно-регулирующего элемента. Присутствующая подвижная масса регулятора увеличивает время реакции на воздействие, снижает надежность гидравлического аппарата и его быстродействие. Также при управлении характеристиками потока в классической гидравлике имеет место промежуточная трансформация электрического управляющего сигнала в механический. Это не только повышает время отклика системы на управляющий сигнал, но и приводит к потере энергии в процессе ее трансформации. Еще одной важной характерной особенностью классических гидравлических дросселирующих устройств является изменение их рабочих характеристик со временем в процессе эксплуатации из-за эрозии проточной части, поэтому создание конструкций дросселей без механических запорно-регулирующих элементов, а также разработка методики расчета параметров подобных дросселей является актуальной задачей, позволяющей повысить эффективность дросселирующей гидравлической аппаратуры. При эксплуатации дросселирующих устройств актуальной проблемой является обеспечение высокого уровня надежности гидроаппаратов. Так как применяемые в настоявшее время механические запирающие элементы, вследствие сложности конструкции, не обладают требуемым уровнем надежности и нуждаются в периодическом техническом обслуживании.
Перспективным направлением в решении этих задач является разработка магнитореологических (МР) устройств дросселирования, у которых отсутствуют вышеперечисленные недостатки. Немаловажно и то, что МР системы обладают лучшими соотношениями массы к мощности и лишены многих технических проблем при их эксплуатации в зонах пониженной гравитации.
Степень разработанности темы исследования:
МР аппараты являются предметом исследований многих ученых: А. М. Ба-зиненкова, Д.Ю. Борина, Е.А. Деулина, В.А Добера, В. П. Михайлова, В.В. Ша-лай, Р. Н. Хамитова и др. Стоит также обратить внимание на работы, посвящен-
ные реологии МР жидкостей, применяемых в качестве рабочих сред: М. И. Шлиомиса, Е. Е. Бибика, 3. П. Шульмана, В. И. Кордонского, Р. Розенцвейга, И. Карлсона, И. Джиндера, М. Джолли, Д. Босиса, Ф. Гонсальвеса, Ш. Оденбаха, Мьо Мин Тана и др. Необходимо отметить, что для существующих МР жидкостей во внешнем магнитном поле удается достичь повышения вязкости только на 20 - 50 %. Причем для повышения отклика МР системы на управляющий сигнал, в виде роста вязкости МР жидкости, требуется увеличение содержания частиц магнетика в среде. Это приводит к росту неоднородности дисперсной системы, более выраженной нелинейности ее реологических свойств и повышению начальной вязкости. Следует отметить и то, что регулирование расхода в имеющихся на данный момент МР дросселирующих системах осуществляется только при помощи изменения вязкостных характеристик рабочей среды во внешнем постоянном управляющем магнитном поле, не используя при этом метода комбинированного регулирования расхода. Например, за счет изменения вязкостных характеристик во внешнем магнитном поле и вихревого эффекта, создаваемого посредством внешнего бегущего управляющего магнитного поля. Следовательно, применение комбинированных методов управления гидравлическими характеристиками МР дросселей позволяет расширить диапазон регулирования расхода МР жидкости без вышеуказанных нежелательных последствий. Также на данный момент отсутствует достаточная теоретическая база, необходимая для проведения инженерных расчетов МР дросселирующих устройств, применяемых для автоматизации рабочих процессов гидравлических систем, как комбинированных, так и использующих для регулирования только постоянное магнитное поле.
Принимая во внимание вышеизложенное, моделирование, расчет и совершенствование конструкции МР дросселя являются актуальным направлением научных и инженерных исследований.
Цель исследования:
Разработка, исследование и моделирование дросселирующего устройства, не использующего для управления параметрами потока рабочей среды подвижные механические запорно-регулирующие элементы и позволяющего повысить надежность, а также эффективность работы гидравлических систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработка принципиальной схемы и конструкции МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока, регулирующего расход за счет изменения вязкости МР жидкости и создания вихревого эффекта запирания потока МР жидкости посредством вращающегося управляющего магнитного поля.
Разработка математической модели МР дросселя с учетом гидродинамики вихревого эффекта запирания потока МР жидкости.
Моделирование и расчет рабочих процессов МР дросселя.
Проведение экспериментальных исследований МР дросселей с целью вери
фикации результатов численного моделирования.
Объектом исследования является устройство, дросселирующее поток рабочей среды - МР дроссель.
Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в МР дросселе.
Методы исследования:
Экспериментальные и теоретические исследования опираются на основы технической гидродинамики и электродинамики, реологии и физической химии. В данной работе применены численные методы и методы верификации математических моделей на основе экспериментальных данных, полученных на разработанном автором стенде. Численное моделирование выполнено методом конечных элементов.
Моделирования произведены с помощью MATLAB и Gridder2D. Проведена трехмерная визуализация результатов математического моделирования рабочих процессов МР дросселя посредством интегрирования блока полученных расчетных зависимостей в ANSYS Workbench. Интегрирование блока полученных расчетных зависимостей, произведено за счет создания solver приложения в ANSYS SDK (software development kit). Также для более наглядного изложения теоретических основ метода динамического запирания потока проведена компьютерная симуляция вихревого эффекта для МР жидкости, без воздействия внешнего магнитного поля, в компьютерном пакете Solid Works. Верификация произведена путем постановки натурных экспериментов.
Научная новизна:
Новая принципиальная и компоновочная схема МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока, регулирующего расход за счет изменения вязкости МР жидкости и создания вихревого эффекта запирания потока МР жидкости посредством вращающегося управляющего магнитного поля.
Разработана нестационарная математическая модель, позволяющая производить идентификацию параметров и режимов МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока.
Получены статические характеристики и профили вязкости для МР дросселя с комбинированным методом управления потоком МР рабочей среды.
Практическая значимость:
Разработанная конструкция МР дросселя с комбинированным методом
управления характеристиками потока может использоваться как аналог
гидромеханического управления перемещениями цилиндрического запор-
но-дросселирующего элемента в двухкаскадных гидравлических усилите
лях, в качестве верхнего управляющего МР контура. Данная конструкция
позволяет расширить диапазон регулирования параметров течения рабочей среды.
Разработана методика моделирования и расчета рабочих параметров МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока. Описанная методика позволяет определять статическую характеристику МР дросселя, а также геометрические параметры его проточной части. Методика может применяться в инженерной практике для проектирования и расчета МР дросселей данной и подобной конструкции.
Некоторые результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров и магистров по направлению «Технологические машины и оборудование» и инженеров по специальности «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» в ЮУрГУ.
Результаты исследования в виде опытного образца внедрены на ООО «МПГ Интергидравлика».
На защиту выносятся:
Принцип создания гидродинамического эффекта вихревого запирания потока МР жидкости посредством вращающегося управляющего магнитного поля.
Конструкция МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока.
Математическая модель, позволяющая производить определение параметров и режимов МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока, предложенной конструкции.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:
LII международная научно-техническая конференция «Достижения науки-агропромышленному производству», Челябинск 2013 г.,V Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения», Самара
-
г., XXXIV Всероссийская конференция, посвященная 90-летию со дня рождения академика В.П. Макеева, Миасс 2014 г., IX Международный симпозиум, посвященный 90-летию со дня рождения академика В.П. Макеева, Непряхино
-
г., VI Всероссийская конференция «Актуальные проблемы машиностроения», Самара 2014 г., Наука ЮУрГУ 66 научная конференция, Челябинск 2014 г., Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы трибологии технологических, энергетических и транспортных машин", Самара 2014 г., и др.
Объем и структура работы:
Анализ существующих дросселирующих МР аппаратов
При рассмотрении течения жидкости в областях перекрытия рабочих окон ( 0) стоит исходить из предположения того, что оно происходит по законам, соответствующим течению в щелях, ограниченных паралельными поверхностями, но при этом следует учитывать неизбежное наличие скруглений на кромках золотника, которые обеспечивают плавный вход жидкости в зазор, образованный золотником и гильзой.
В золотниковых дросселях линейная зависимость расхода от осевого расстояния между кромками существует не только при больших открытиях рабочего окна, но и при малых, а также в области перекрытий расход не остается неизменным [7].
Еще одной особенностью золотниковых дросселирующих систем является то, что при больших расходах наблюдается уменьшение крутизны про-ливочной характеристики золотникового дросселя, вследствие потерь давления на местных сопротивлениях: в каналах и переходных сечениях при подводе жидкости к рабочему окну и его отводе. Причем, в областях малых расходов и малых открытий нелинейность проливочных характеристик является следствием влияния радиального зазора, а зависимость расхода от перекрытия в области 0 является следствием изменения гидравлического сопротивления зазора и зависит от длины этого зазора [9].
Зависимости расхода золотникового дросселирующего устройства, перепада давления на нем и перемещения золотника относительно гильзы приведены [4].
Одним из основных недостатков золотниковых гидравлических дросселей является сложность обработки и контроля получения качественных рабочих кромок кольцевой полости гильзы, кроме того для золотников сложной конфигурации невозможно изготовление разгрузочных кольцевых канавок и выемок. Это не позволяет простыми средствами решить проблему гидравлического защемления и залипания золотников [8].
Также стоит отметить, что основой большинства клапанных элементов запорной и регулирующей гидравлической аппаратуры является комбинация дросселей и (или) седельного запирающего элемента, который в свою очередь также можно рассматривать как своеобразный дроссель, что значительно расширяет возможную область применения дросселей [10]. В качестве варианта реализации регулирования гидродинамического сопротивления рабочей среды посредством управляющего потока рассмотрим одну из самых распространенных конструкций струйного вихревого регулирующего аппарата.
Струйные вихревые регулирующие аппараты применяются для изменения расхода и мощности, а также выполняют роль различных струйных регулируемых сопротивлений. Управление потоком при помощи струйных вихревых регулирующих аппаратов осуществляется за счет падения давления в вихре [11]. Принципиальная схема струйного вихревого регулирующего аппарата без выхода в атмосферу приведена на рисунке 1.1.5.
Поток питания по каналу подводится к вихревой камере, в которую он поступает перпендикулярно продольной оси камеры от периферии к центру. Канал питания располагается по всей высоте вихревой камеры.
Поток питания п в струйных вихревых регулирующих аппаратах, как правило, подается радиально по каналам питания, которые проектируются равно отдаленными при условии наличия более одного канала питания и располагаются на периферии вихревой камеры. Также возможна подача потока питания в вихревую камеру через кольцевые отверстия в крышках вихревой камеры. Управляющий поток у в струйных вихревых регулирующих аппаратах подается по управляющему каналу, установленному тангенциально к внешней стенке вихревой камеры. Выходное отверстие выполняется в крышке соосно с продольной осью вихревой камеры, а площадь сечения выходного канала значительно меньше площади сечения канала питания.
Принципиальная схема струйного вихревого регулирующего аппарата без выхода в атмосферу: 1 - вихревая камера, 2 - канал питания, 3 - управляющий канал, 4 - поток питания, 5 - выходное отверстие, 6 - выходной канал
В случае отсутствия управляющего сигнала, то есть при (у = 0) в вихревой камере питающий поток движется радиально и поступает к выходному отверстию, при этом не происходит значительного падения давления на выходе из вихревой камеры и давление в самой вихревой камере постоянно [11].
В случае, когда управляющий поток у подается тангенциально в вихревую камеру по управляющему каналу, создается вихревое движение потока с наличием характерного радиального градиента давления, что приводит к уменьшению расхода в выходном канале при неизменном в нем давлении, при этом расход зависит от радиального градиента давлений в вихревой камере. Причем, возможно даже полное перекрытие потока питания (@п = 0) при создании достаточно больших значений Qy и ру [12].
Основным недостатком струйных вихревых регулирующих аппаратов является то, что при управлении потоком питания требуется управляющий поток с большим давлением, чем создаваемое давление на выходе из вихревой камеры, поэтому использование струйных вихревых регулирующих аппаратов в роли усилителей нецелесообразно, так как коэффициент усиления по давлению является отрицательным [11].
Конструкция струйного вихревого регулирующего аппарата с выходом в атмосферу, рисунок 1.1.6, подобна конструкции струйного вихревого регулирующего аппарата без выхода в атмосферу, только имеется выход в атмосферу и приемную трубку, которая смещена по оси от выходного отверстия вихревой камеры. В случае отсутствия вихря, то есть при (@у = 0), струя из выходного отверстия попадает в приемную трубку. Если управляющий поток достаточно мал, тогда большая часть выходного потока также улавливается приемной трубкой.
Тензор напряжений в объеме МР жидкости без учета собственных вращений магнитных частиц
Известны конструкции МР систем предусматривающих погружение не магнитных объектов в объем МР жидкости, например, конструкции некоторых адаптивных МР опор. Основываясь на специальном уравнение Бернулли для МР жидкости, можно вычислить гидростатическую подъемную силу, вызываемую градиентом давления под действием силы тяжести, следовательно, и давление p, действующее на не магнитный объект объемом V со стороны МР жидкости, который находится в неподвижном объеме МР жидкости. Следствием выражений, приведенных [21,38] является то, что при приложении к МР жидкости магнитного поля с таким градиентом, чтобы член был отрицателен, и эффективная плотность МР жидкости могла значительно превысит ее начальную плотность, становится возможно всплытие погруженного в нее немагнитного объекта с плотностью, меньшей в сравнении с полученной эффективной плотностью МР жидкости. Данное физическое явление может быть использовано для повышения эффективности рабочего процесса МР демпферов. 2.2.4. Граница раздела МР жидкости и немагнитной жидкости в МР запорно-регулирующих элементах
Известны конструкции гидравлических аппаратов, у которых в роли запорно-регулирующих элементов выступает объем жидкости, обладающей магнитными свойствами [21,39–42]. Физические основы поведения МР жидкости на границе раздела с немагнитной жидкостью приведены [21,43]. Представленные в источниках выражения позволяют численно описывать силы, возникающие на границе раздела магнитной и немагнитной сред.
Запорно-регулирующие элементы в гидравлических аппаратах, изготовленные из жидкостей, обладающих магнитными свойствами, как правило, выполняются в виде сферического объема. Поведение такого объема во внешнем магнитном поле, описано [21,43–45]. Представленные в источниках зависимости позволяют численно определять параметры МЖ запорно-регулирующего элемента и энергию, требуемую для достижения МЖ запорным элементом заданной формы.
Рассмотренные в данной части главы модели расчета физических эффектов, возникающих в МР жидкости во внешнем магнитном поле, позволяют производить оценку изменения физических свойств рассматриваемого объема МР жидкости. Но они применимы только в состоянии статики или при достаточно медленном процессе течения, что дает возможность проводить расчеты МЖ запорно-регулирующих элементов, но не позволяет оценивать реологию МР системы и учитывать возможность возникновения в процессе их течения различных реологических аномалий. Поэтому в дальнейшем рассмотрим гидродинамику МР жидкости.
При описании течения жидкой среды необходимо принимать во внимание характер ее движения в потоке, поскольку он оказывает существенное влияние на ее вязкостные характеристики. На практике течение жидкости, как правило, имеет турбулентный характер и крайне редко является ламинарным. Поэтому, учитывая явления турбулентности, возникающие при течении и неньютоновские свойства МР жидкостей, возникновение вязкостных аномалий в них, возможно даже в отсутствии внешнего магнитного поля, а при изменении их вязкостных характеристик под действием магнитного поля выраженность этих аномалий может даже усиливаться. В процессе эксплуатации МР систем зачастую в проточных полостях наблюдается турбулентный характер течения рабочей среды [46,47]. Поэтому для численного описания и учета воздействия турбулентных явлений, на характеристики потока МР жидкости в зависимости от поставленной задачи, следует применять модели турбулентности, которые принято подразделять на: алгебраические и дифференциальные. Существующие модели турбулентности [48–50] позволяют численно описать характер движения МР жидкости в потоке с учетом гидродинамических процессов, протекающих в нем с достаточно высокой достоверностью, но в отсутствии воздействия на поток МР жидкости управляющего магнитного поля. Поэтому при описании рабочих процессов МР систем для участков, на которых происходит электромагнитное управления характеристиками потока в модели турбулентности необходимо включать уравнения, описывающие изменения реологических свойств рабочей среды под действием магнитного поля.
Для описания течения МР жидкости во внешнем магнитном поле на данный момент существует несколько наиболее адекватных физических моделей, одна из которых будет подробно рассмотрена в данной части главы.
Как известно, частицы, входящие в состав МР жидкости обладают импульсом и моментом импульса, поэтому при рассмотрении потока необходимо учитывать поступательные и вращательные движения частиц, образующих поток. При помощи моделей турбулентности можно описать только поступательные движения частиц с достаточной для инженерных расчетов достоверностью. Поэтому теперь обратим внимание на гидромеханику частиц с учетом их вращательных степеней свободы. Причем учитывая, что изменение энергии потока МР жидкости во внешнем магнитном поле, прежде всего, происходит посредством взаимодействия магнитных частиц, остановимся на подробном рассмотрении вращательных степеней свободы этого компонента МР жидкости. 2.4.1. Понятие внутреннего вращения магнитной частицы по Шлиомису
Рассмотрим внутреннее вращение магнитной частицы по Шлиомису [51]. При рассмотрении внутреннего вращения магнитных частиц, входящих в состав МР жидкости, прежде всего для упрощения инженерных расчетов, вводятся допущение о том, что данные частицы обладают сферической формой и одинаковым радиусом, причем по единичному объему МР жидкости магнитные частицы распределены равномерно. Необходимо отметить и то, что из-за неравенства векторов угловой скорости частиц и объема МР жидкости возникает дополнительное внутреннее трение, поэтому при рассмотрении движения МР жидкости необходимо учитывать этот фактор. Очевидно, что существует асимметрия в тензоре напряжения, обусловленная вращательными движениями магнитных частиц, находящихся в объеме МР жидкости. Зависимости, необходимые для расчета базовых параметров патока МР жидкости: аналог уравнения Навье-Стокса для МР жидкости; уравнение для внутреннего момента импульса МР жидкости; уравнение намагниченности МР жидкости, приведены [21,51]. Представленные в источниках выражения позволяют численно оценивать внутреннее вращение магнитных частиц, находящихся в объеме МР жидкости.
Уже неоднократно отмечалась определяющая особенность МР жидкостей, которая заключается в том, что посредством внешнего магнитного поля возможно управление их реологическими свойствами. Как известно, основным рабочим параметром МР жидкости является вязкость, поэтому для реализации управления расходом посредством изменения реологических свойств рабочей среды МР привода остановимся подробней на определении численной зависимости вязкости МР жидкости от параметров внешнего магнитного поля.
Тензор напряжений в объеме МР жидкости без учета собственных вращений магнитных частиц
Учитывая все вышеизложенное в предыдущих главах, становится очевидно наличие необходимости в совершенствовании методов регулирования расхода МР жидкости, а следовательно, в совершенствовании конструкций МР дросселей. Принцип регулирования расхода МР жидкости за счет создания эффекта вихревого запирания потока посредством вращающегося управляющего магнитного поля реализован в следующей конструкции МР дросселя и в его модификации. Данная конструкция МР дросселя описана в поданной патентной заявке на изобретение по международной процедуре PCT, новизна, изобретательский уровень и промышленная применимость основных пунктов, которой были подтверждены результатами международного поиска, проведенного «Федеральным институтом промышленной собственности» РФ [105].
Рассмотрим принципиальные схемы конструкции модульного МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока, регулирующего расход за счет изменения вязкости МР жидкости и создания вихревого эффекта гидродинамического запирания потока МР жидкости посредством бегущего вращающегося управляющего магнитного поля, а также его модификации, рисунки 3.1.1. и 3.1.2.
Принципиальная схема модульного МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока, регулирующего расход за счет изменения вязкости МР жидкости и создания вихревого эффекта гидродинамического запирания потока МР жидкости посредством бегущего вращающегося управляющего магнитного поля (конструкция с внешним блоком электромагнитного управления) Рис. 3.1.2. Принципиальная схема модульного МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока, регулирующего расход за счет изменения вязкости МР жидкости и создания вихревого эффекта гидродинамического запирания потока МР жидкости посредством бегущего вращающегося управляющего магнитного поля (конструкция с внутренним блоком электромагнитного управления)
Приведенные модификации принципиальной конструкции МР дросселя отличаются расположением блоков электромагнитного управления. Трехмерный эскиз МР дросселя, конструкция которого предусматривает установку блока управления потоком на корпус, изображена на рисунках 3.1.3. и 3.1.4. Представленные МР дроссели осуществляют регулирование расхода МР жидкости, как за счет изменения вязкости МР жидкости, так и посредством создания бегущего вращающегося управляющего магнитного поля, позволяя осуществлять вихревое гидродинамическое запирание потока МР жидкости.
Бегущее вращающееся магнитное поле создается блоком электромагнитного управления характеристиками потока МР жидкости, представляющего собой дифференциальную кольцевую обмотку, рисунок 3.1.5., состоящую из элементов, каждый из которых является отдельным электромагнитом. Элементы обмотки пофазаво подключены к источнику питания. Включение фаз, питающих дифференциальную кольцевую обмотку, аналогично включению фаз стартера асинхронного электродвигателя. Представленная конструкция является трехфазной, хотя при желании возможно увеличение количества элементов дифференциальной кольцевой обмотки и числа фаз. Блок электромагнитного управления характеристиками потока МР жидкости, рассматриваемый в данных конструкциях МР дросселей, крепится на корпус, рисунок 3.1.6. или интегрируется в полость внутреннего элемента, рисунок 3.1.7. На входе в проточную часть дросселя установлены обтекатель и струе-выпрямитель, обеспечивающие снижение гидродинамического сопротивления на МР дроссель и ламинаризацию потока, рисунок 3.1.8. В предложенной конструкции МР дросселя с комбинированным методом управления характеристиками потока возможна различная геометрия отверстий струевыпрями-теля, рисунки 3.1.1. и 3.1.2. Применение подобного направляющего аппарата позволяет задавать угол входа потока в полость рабочей зоны МР дросселя-гидрозамка. Для рабочей среды с низкой вязкостью и небольшим содержанием ферромагнетика это снижает затраты энергии на управление характеристиками потока и облегчает регулирование расхода рабочей МР среды. Управление характеристиками потока МР жидкости производится, как за счет изменения частоты вращения магнитного поля посредством изменения скорости переключения фаз, так и за счет изменения вязкости МР жидкости посредством изменения рабочих параметров управляющего магнитного поля.
Сопоставление и оценка адекватности полученных данных
Вообще, ряд наблюдаемых эффектов является следствием того, что у ферромагнетиков, обычно разбитых на домены, способные к самопроизвольной намагниченности, магнитные моменты доменов одинаковы, но направления у моментов различны. А под действием внешнего магнитного поля число доменов, намагниченных по полю и их размеры, за счет других доменов, увеличиваются, так как векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по направлению поля [130].
Как известно, в достаточно сильных магнитных полях ферромагнетики намагничивается до насыщения, при этом состоя из одного домена с намагниченностью насыщения , которая направлена вдоль внешнего поля H, рисунок 3.2.12.
На сегодняшний день процесс намагничивания ферромагнетиков довольно хорошо изучен и неоднократно экспериментально подтвержден. Принято считать, что в отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнетики разбиваются на домены так, что их результирующий магнитный момент близок к нулю. В присутствии внешнего магнитного поля энергии отдельных доменов делаются неодинаковыми, причем, энергия меньше тех доменов, в которых вектор намагниченности образует с направлением поля острый угол и больше, если образующийся угол тупой. Как следствие этих эффектов, возникают процессы смещения границ доменов, при которых объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией, наоборот, уменьшается. В слабых магнитных полях эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменением внешнего магнитного поля, но при увеличении силы магнитного поля смещение границ доменов становятся необратимыми, а в достаточно сильных магнитных полях энергетически невыгодные домены совсем исчезают. Когда происходит еще большее увеличение силы магнитного поля, тогда при намагничивании возникает изменение направления магнитного момента домена, а в достаточно сильном магнитном поле HS магнитные моменты всех доменов ориентируются параллельно магнитному полю и в этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший магнитный момент, то есть намагничен до насыщения, следовательно, при дальнейшем увеличении силы внешнего магнитного поля значение намагниченности MS остается постоянным и при уменьшении напряженности внешнего магнитного поля до HS значение намагниченности MS также не будет меняться. Но в случае дальнейшего уменьшении напряженности внешнего магнитного поля значение намагниченности начнет уменьшаться, сначала это будет происходить за счет изменения направления магнитного момента домена, а затем преимущественно за счет возникновения и роста доменов с магнитными моментами, направленными против поля, рост которых обусловлен движением доменных стенок [131].
Причем, в МР жидкости из-за ее неоднородности и наличия примесей подобное движение происходит скачками, на которых доменные стенки задерживаются и поэтому при уменьшении поля, даже до нуля, у объема МР жидкости сохраняется так называемая остаточная намагниченность MR, а объем МР жидкости полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления HK. При последующем увеличении силы магнитного поля, противоположного по направлению предыдущему, объем МР жидкости намагничивается вдоль этого магнитного поля также до насыщения, поэтому при циклическом изменении поля графическая зависимость, характеризующая изменение намагниченности объема МР жидкости, представляется в виде петли магнитного гистерезиса, которую численно описывает следующая зависимость [ 130,132]: В =[10(М + Н) (3.2.133) Кривая описывающая зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля аналогична кривой зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля в случае гистерезиса, следовательно, при циклическом изменении поля графическая зависимость является замкнутой кривой, но в данном случае в области полей больших HS магнитная индукция не достигает насыщения и растет линейно.
Необходимо также отметить, что в случае, если величина магнитного поля циклически изменяется в таких пределах, то насыщение магнитной индукции не достигается, тогда получается непредельная петля гистерезиса, рисунок 3.2.13., площадь которой пропорциональна энергии, теряемой в объеме за один цикл изменения поля [131].
Кроме того, изменение магнитной индукции в бегущем магнитном поле описывается уравнением (3.2.48) и происходит по косинусоидальному закону, то есть присутствуют гармонические колебания с циклической частотой, поэтому значения магнитной индукции будут иметь свой максимум при определенном частотном режиме.
Также значения магнитной индукции будут знакопеременными. И при некоторых частотах магнитная индукция поля будет иметь противоположный знак, а напряженность магнитного поля может приобретать противоположное направление, поэтому при определенных частотах поле, индуцируемое блоком электромагнитного управления, становиться размагничивающим [114,130], следовательно, будет наблюдаться некоторое падение вязкости.
Не стоит забывать и о наличии эффекта изменения магнитной проницаемости среды в зависимости от частоты колебания магнитного поля, соответствующей закону, описываемому выражением (3.2.95).
Все эти физические явления в совокупности дают подобное изменение зависимости перепада давления от частоты управляющего магнитного поля для исследуемого МР дросселя.
Для трехмерной визуализации результатов математического моделирования рабочих процессов МР дросселя произведено интегрирование блока полученных расчетных зависимостей в ANSYS Workbench за счет создания solver приложения в ANSYS SDK (software development kit) при помощи Microsoft Visual Studio Professional.
В результате этого получены: визуализация распределения параметров магнитного поля в кольцевом зазоре МР дросселя и визуализация зависимости вязкостных характеристик МР среды от данных параметров управляющего магнитного поля.
Принимая во внимание, что изменение вязкостных характеристик МР среды происходит под действием внешнего магнитного поля, целесообразно визуализировать полученные значения распределения параметров магнитного поля в кольцевом зазоре, заполненном МР жидкостью.
Для создания управляющего магнитного поля возможно использование блоков электромагнитного управления с разным количеством и различной геометрией индукторов. В данной работе визуализацию распределения параметров магнитного поля в кольцевом зазоре, заполненном МР жидкостью, рассмотрим на примере блока электромагнитного управления потоком, состоящего из цилиндрических индукторов, рисунок 3.3.1.
Для начала рассмотрим распределение магнитной индукции B и напряженности магнитного поля H в индукторах, набор которых образует блок электромагнитного управления потоком МР жидкости, рисунки 3.3.2 и 3.3.3.