Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Получение, свойства и применение магнитной жидкости 10
1.1. Синтез и структура панодиперсного магнитного коллоида 10
1.2. Вязкость магнитной жидкости 14
1.3. Некоторые выводы из теории кавитации 19
1.4. Исследования последних лет, близкие по тематике 23
1.4. Применение магнитных жидкостей 30
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 32
Глава 2. Описание экспериментальной установки и методики измерений 34
2.1. Экспериментальная установка для определения зависимости объема воздушной полости от скорости перемещения источника магнитного поля 34
2.2. Экспериментальная установка и методика определения радиуса прорывающегося через магнитный барьер пузырька 42
2.3. Методика измерения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов 47
2.4. Выводы 51
Глава 3. Результаты экспериментального исследования 52
3.1. Физические свойства объекта экспериментального исследования 52
3.2. Процесс захвата воздушной полости 54
3.3. Струйный характер течения магнитной жидкости 57
3.4. Результаты экспериментального исследования магнитного поля 60
3.5. Результаты исследования зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения источника магнитного поля 62
3.6. Результаты исследования спектра излучения воздушного пузырька 66
3.7. Выводы 72
Глава 4. Анализ результатов эксперимента и выводы 73
4.1. Теоретическое исследование магнитного поля используемого магнита 73
4.1.1. Изучение магнитного поля матричным методом 73
4.1.2. Изучение магнитного поля методом «отображения» 78
4.2. Объяснение процессов захвата воздушной полости 80
4.3. Два механизма захвата полости 86
4.4. Обоснование луночного механизма 87
4.5. Процесс деления воздушной полости 91
4.6. Явление электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком 93
4.7. Расчет приращения давления в полости при прорыве пузырька 101
4.5. Выводы 104
Заключение 105
Благодарности 107
Список литературы 108
- Вязкость магнитной жидкости
- Методика измерения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов
- Объяснение процессов захвата воздушной полости
- Явление электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком
Введение к работе
Актуальность работы. Процесс захвата порции воздуха с поверхности столбика магнитной жидкости (МЖ), находящейся внутри стеклянной трубки, осуществляется управляемым потоком МЖ под действием пондеромоторных сил неоднородного магнитного поля, перемещающегося в осевом направлении. По мере перемещения кольцевого магнита вниз воздушная полость прижимается пондеромоторными силами неоднородного магнитного поля к донышку трубки. При достижении критического значения давления происходит отделение от полости воздушного пузырька. Оказавшись за пределами «магнитного барьера», воздушный пузырек совершает упругие колебания в магнитном коллоиде, сопровождаемые электромагнитным и акустическим излучением.
Сообщение о стабилизации нижней поверхности столбика МЖ в трубке при помощи неоднородного магнитного поля приводится в работе (Rosensweig R.E. Ferrohydrodynamics // Cambridge Monographs on Mechanics and Applied Mathematics. - New-York, 1985. 344 p.). Однако ни в этой, ни в других научных публикациях не было сообщений об образовании и затоплении воздушной полости в МЖ за счет набегающего магнитного поля, о стабильности объема полости в условиях прессинга. Вместе с тем в экспериментальных исследованиях данного процесса заинтересованы такие отрасли физической науки как физическая акустика и магнитная гидродинамика, поскольку генерация электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной МЖ пузырьком представляет не изученное ранее явление. В научной литературе отсутствуют сообщения об электромагнитном излучении, сопровождающем процесс пульсаций воздушных пузырьков в МЖ.
Исследование физических свойств данной системы отвечает интересам практического характера. В частности, заслуживает внимания идея использования данной системы в качестве счетчика газа, предназначенного для дозированной подачи газа в реактор с соответствующей сигнализацией в виде электромагнитных или акустических импульсов, что может найти применение в некоторых химических, физико-биологических и фармацевтических технологиях для обеспечения высококачественного мониторинга процесса. В этой связи возникает интерес к изучению условий, от которых зависит эффективность процесса (оптимальный размер пузырьков, ширина распределения по размерам оторвавшихся пузырьков, частота заполнения и амплитуда сопровождающего процесс радиоимпульса), а также выбор подходящей по составу МЖ.
Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.
Целью настоящей работы является установление физических механизмов захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработка методики исследования и создание комплексной компьютеризированной экспериментальной установки для изучения процессов захвата воздушной полости магнитной жидкостью, отделения воздушных пузырьков от полости, прижатой магнитным полем к донышку трубки;
экспериментальное и теоретическое исследование топографии магнитного поля используемого кольцевого магнита;
наблюдение эволюции формы свободной поверхности МЖ-столбика в процессе захвата воздушной полости и разработка адекватной теоретической модели;
получение экспериментальной зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения магнитного поля на образцах МЖ с различной вязкостью;
на основе полученных данных по зависимости объема захватываемой полости от скорости перемещения источника магнитного поля предложить физическую модель кинетики процесса;
разработка двух взаимно дополняющих методик определения размеров всплывающих пузырьков;
получение осциллограмм, характеризующих процессы отрыва и колебаний пузырьков;
на основе полученных экспериментальных и теоретических данных описать физические процессы, происходящие при захвате полости и при отрыве пузырька.
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 – процессы захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
-
Создана экспериментальная установка и разработана методика для изучения зависимости объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости;
-
Зависимость объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости описана двумя характерами течения магнитной жидкости: луночным и струйным;
-
Изучен процесс деления воздушной полости в магнитной жидкости в виде отрыва от нее воздушных пузырьков при сдавливании пондеромоторными силами магнитного поля. Установлено явление электромагнитного излучения пульсирующим в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком, оторвавшимся от полости. Экспериментально доказана возможность прецизионного определения размеров пузырька по частоте излучения.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика и экспериментальная установка для изучения зависимости объема воздушной полости, захватываемой магнитогидродинамическим потоком, от скорости приближения источника магнитного поля к открытой поверхности магнитной жидкости; указанная зависимость описывается двумя механизмами захвата воздушной полости, отличающимися течением магнитной жидкости, которое имеет струйный или луночный характер;
-
Теоретическое объяснение струйного характера течения дано на основе модели неустойчивости. Луночный механизм захвата воздушной полости магнитной жидкостью качественно описан с использованием концепции отображения геометрии свободной поверхности магнитной жидкости на начальной стадии захвата полости посредством топографии изолиний модуля напряженности магнитного поля и предложенной кинетической схемы процесса;
-
При сдавливании воздушной полости пондеромоторными силами магнитного поля осуществлен процесс деления полости в виде отрыва воздушных пузырьков; зафиксирован эффект электромагнитного излучения пульсирующим при всплытии газовым пузырьком, по частоте которого возможно прецизионное определение размеров пузырька и массы содержащегося в нем газа.
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 с учётом конкретных условий; совпадением данных нескольких независимых экспериментов, проведённых на одних и тех же образцах.
Научная и практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные экспериментальные и теоретические результаты могут быть полезны при проектировании новых и модернизации известных устройств, использующих магнитожидкостное заполнение, при создании счетчиков и дозаторов газа в химико-технологическом производстве и фармацевтике при подаче в реактор малых количеств газа, а также могут использоваться в учебном процессе, что положительным образом сказывается на качестве подготовки специалистов технических специальностей, стимулирует интерес студентов к научно-исследовательской работе.
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 нанодисперсной магнитной жидкости – процессов захвата, удерживания и транспорта воздушной полости нанодисперсной магнитной жидкостью. Полученные научные результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности: п. 2; п. 6.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества» (Саратов, 2011), III Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011), X Международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2012), 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).
Публикации: Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 18 работах, из них 8 в рецензируемых журналах и изданиях.
Личный вклад автора: разработаны методики и экспериментальные установки для исследования физических механизмов захвата и дробления воздушной полости в магнитной жидкости в набегающем магнитном поле, 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 121 странице и содержит 38 рисунков, 17 таблиц и 113 наименований цитируемой литературы.
Вязкость магнитной жидкости
При колебаниях МЖ-перемычки внутри нее генерируются течения, приводящие к вязкой диссипации энергии. Таким образом, именно сдвиговая вязкость магнитной жидкости потенциально может обеспечить функционирование механизма, формирующего затухание колебаний изучаемой системы.
В отсутствии внешнего магнитного поля магнитная жидкость представляет собой обычный коллоидный раствор, вязкость которого зависит от содержания дисперсной фазы [23, 24, 25]. Наличие коллоидных частиц в жидкости приводит к увеличению внутреннего трения при её движении, т.е. к увеличению её вязкости. При увеличении концентрации твёрдой фазы вязкость коллоида возрастает. В коллоидных растворах с малой концентрацией частиц это увеличение описывается формулой Эйнштейна [26]:
Вязкость концентрированных суспензий описывается зависимостью, полученной Вэндом [27]
Есть и другие выражения для описания концентрационной зависимости вязкости коллоидных растворов [23,28].
Эти представления справедливы для так называемой "идеальной" МЖ, в которой отсутствуют агрегаты магнитных частиц и не происходит структурирование в магнитном поле.
Вязкость МЖ как функция концентрации коллоидных частиц исследовалась в целом ряде экспериментальных работ [13, 29, 30]. В качестве величины, характеризующей концентрацию, используется обычно объемная доля магнитной фазы фт, или объемная доля твердой фазы ф. Объемная доля магнитной фазы вычисляется по намагниченности насыщения жидкости Ms, а ф -по плотности. Во всех случаях ф)фт, т.к., во-первых, магнитная фаза составляет лишь часть твердого керна, а, во-вторых, в жидкости могут присутствовать немагнитные включения. В теоретические формулы, описывающие вязкость суспензий и коллоидных растворов, в частности, в (1.2) и (1.3) входит концентрация ф -, включающая кроме ф также объемную долю защитных оболочек.
Полученная в работе Бузмакова В.М. и Пшеничникова А.Ф. [28] зависимость относительной вязкости раствора типа магнетит в керосине - от объемной доли коллоидных частиц фд для температур 25, 40 и Л0 60 С позволяет заключить, что магнитодипольные взаимодействия не оказывают существенного влияния на вязкость ферроколлоидов.
Главную роль играют одночастичные эффекты и гидродинамическое взаимодействие частиц. Путем аппроксимации экспериментальных данных по методу наименьших квадратов получено:
Коэффициент при линейном члене в (1.4) оказался существенно больше эйнштейновского значения.
Этот вывод относится и к упомянутой выше формуле Вэнда (1.3). Наиболее вероятной причиной аномально высокой вязкости ферроколлоидов является высокое содержание в жидкости квазисферических агрегатов с неелевским механизмом релаксации намагниченности. Устойчивость агрегатов к повышению температуры означает, что относительно слабые магнитодипольные взаимодействия не играют главной роли при их образовании. Агрегаты образуются в процессе приготовления МЖ за счет молекулярных сил. Гипотеза о присутствии в магнитных коллоидах большого количества квазисферических агрегатов находится в удовлетворительном согласии с формулой Эйнштейна.
В работе Варламова Ю.Д. и Каплуна А.Б. [29] отмечается, что для описания концентрационной зависимости вязкости МЖ можно применять формулу Вэнда с введением одного подгоночного параметра, в качестве которого служит гидродинамическая концентрация частиц, учитывающая наличие стабилизационной оболочки.
В [31] также отмечается, что для описания вязкости концентрированных МЖ применяются различные полуэмпирические формулы, причем для достижения количественного согласия делается предположение о непропорционально большом вкладе в концентрацию ф5 защитных оболочек.
С увеличением скорости сдвига в МЖ снижается вероятность существования устойчивых агрегатов и МЖ приближается по поведению к ньютоновской жидкости с постоянной вязкостью при различных скоростях течения. При малой скорости сдвига поведение МЖ становится неньютоновским и тем более сильно отклоняется от ньютоновского, чем меньше скорость сдвига и больше объёмная доля твёрдой фазы в МЖ.
Неньютоновские среды обычно характеризуют зависимостью напряжения сдвига т от скорости сдвига Y [32, 33] . Обнаружено, что поведение МЖ при малых скоростях сдвига (У «Ю-1 с) и относительно высоких объёмных долях твёрдой фазы (ф 0,1) удовлетворительно аппроксимируется реологической моделью Бингама- Шведова :
В магнитных жидкостях, кроме гидродинамического, есть и магнитное взаимодействие частиц, влияющее на их относительное движение, поэтому вязкость МЖ зависит также от уровня этого взаимодействия. В устойчивой МЖ магнитным взаимодействием можно пренебречь. В этом случае вязкость МЖ определяется гидродинамической концентрацией частиц (рг=р р и соответствует соотношениям, полученным для суспензий немагнитных частиц. Здесь р- коэффициент, не зависящий от концентрации твёрдой фазы.
Реальные МЖ могут значительно отличаться от простейшей модели, представляющей частицы в виде невзаимодействующих монодисперсных шариков. Их вязкость может зависеть от предыстории образца [31, 34] (т.е. от предварительных внешних воздействий, таких как перемешивание и намагничивание) и скорости сдвига.
В случае агрегирования магнитной жидкости происходит рост эффективной гидродинамической концентрации рг. Кроме того, крупные структуры могут пронизывать весь объём МЖ и тормозиться его границами. Оба механизма приводят к увеличению вязкости по сравнению с вязкостью, определяемой по формуле (1.3) и нелинейной зависимости вязких напряжений от скоростей деформаций [30, 32, 34, 35].
На вязкость и реологическое поведение МЖ влияет изменение температуры. Прежде всего, от температуры зависит вязкость основы МЖ, ПАВ, а, кроме того, изменение температуры влияет на вклад вращательной диффузии в вязкость и на процесс агрегации частиц в жидкости. В связи с этим, в общем случае температурные зависимости вязкости МЖ и основы несколько различаются. Это отличие возрастает с увеличением концентрации магнитной фазы в МЖ и с ростом температуры. Вискозиметрические опыты [36-38] подтвердили значительное отличие температурной зависимости эффективной вязкости магнитной жидкости от таковой для жидкости основы. Эффективный коэффициент вязкости магнитной жидкости на основе керосина удовлетворительно аппроксимируется формулой Андраде:
К сожалению, коэффициенты Р и N невозможно определить теоретически.
Таким образом реологические свойства МЖ весьма разнообразны. В зависимости от состава, способа получения и последующей очистки от крупных частиц и примесей, от "магнитной" предыстории МЖ можно будет отнести к ньютоновскому или неньютоновскому типу. Такого рода классификацию можно осуществить только на основе экспериментального тестирования.
Методика измерения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов
Измерения основных физических параметров исследуемых образцов МЖ: плотности, концентрации, намагниченности и магнитной восприимчивости проводились на установках и по методикам, разработанным в лаборатории магнитоакустических измерений Юго-Западного государственного университета сотрудниками кафедры нанотехнологий и инженерной физики под руководством профессора В.М. Полунина на базе отечественного и мирового опыта [90].
Плотность МЖ определялась методом пикнометра. Взвешивание проводилось на электронных весах 1кл. Однако в связи с появлением мениска у поверхности пикнометра и отсутствием у МЖ оптической прозрачности, появляется некоторая неопределенность в установлении уровня жидкости в горловине пикнометра, Ошибка в определении уровня МЖ в пикнометре составляет -1,5-2 мм. Таким образом, при внутреннем диаметре горлышка пикнометра d=5,4 мм погрешность измерения р составляет 0,5 %.
Объемная концентрация твердой фазы ф определялась из формулы смешения: p = ps- p + pf{l-(p), (2.7) Mmf где p = —— - плотность образца, Mmj— его масса, V- объем жидкости в пикнометре, ps- плотность магнетита, pj— плотность жидкости носителя. Вычисленная концентрация твердой фазы по формуле (2.8) является приближенной, т.к. в ней не учитывается наличие ПАВ на магнитных частицах. В [91] ср предлагается вычислять по уточненной формуле: наличие ПАВ на частицах. В этой же работе показано, что ошибка в определении ср (при а= 0) не превышает 4,5 %. Определение коэффициента а очень трудоемкий процесс, т.к. реальная МЖ обладает полидисперсностью, поэтому для начала необходимо определить распределение частиц по размерам в образце. Помимо этого в МЖ имеется ПАВ в свободном состоянии, т.е. ПАВ неадсорбированные на магнитных частицах, которое практически нельзя учесть. Исходя из всего этого, в данной работе объемная концентрация магнитных частиц в образце определяется по формуле (2.8).
Значения начальной магнитной восприимчивости % и намагниченности насыщения Ms. находим по кривой намагничивания.
Для получения кривой намагничивания использовался баллистический метод [92]. Ампула с образцом МЖ помещалась внутри одной из двух одинаковых катушек индуктивности, включённых в противоположном направлении и установленных на вращающемся штоке [93-95]. Затем измерительная ячейка помещалась между полюсами лабораторного электромагнита ФЛ-1 и подключалась к микровеберметру Ф-190 (погрешность измерений 2,5 %).
При повороте штока ячейки на 180 наблюдалось изменение магнитного потока Фм: АФ = /и0 (М - (-М)) = 2ju0MS, где S = яА2 14. Намагниченность рассчитывалась по формуле:
Относительная погрешность измерений составляет:
При расчётах постоянной измерительных катушек малых размеров может возникнуть необходимость учёта поправки, связанной с цилиндрической формой обмоточного провода и с конечностью его толщины: 6- =2r2/9R2, где г, R- радиусы сечений проводника и катушки. В наших опытах эта поправка составляла Ю-4.
Напряжённость магнитного поля как в межполюсном зазоре ФЛ-1, так и на оси кольцевого магнита измерялась при помощи тесламетра холловского типа РШ 1-10. Погрешность измерений согласно паспортным данным не превосходит 2 %.
Магнитная восприимчивость образцов МЖ рассчитывалась по формуле: % = AM I АН. Все измерения проводились при поддерживаемой постоянной температуре. На кривизну начального участка этих кривых, прежде всего, оказывают влияние наиболее крупные частицы, в то время как верхний участок кривой намагничивания формируется под влиянием мелких частиц.
При помощи капиллярного вискозиметра ВПЖ-2, с диаметром капилляра 1,31 мм, были проведены измерения значения кинематической вязкости.
При проведении измерений в связи с оптической непрозрачностью МЖ возникают затруднения в определении положения уровня жидкости относительно реперных рисок вискозиметра, в результате чего разброс по времени истечения жидкости по капилляру по данным десяти опытов достигает 10 %, что может служить оценкой погрешности измерения вязкости.
По значениям кинематической вязкости v и плотности р рассчитывается значение статической сдвиговой вязкости rj: Г = v р.
Объяснение процессов захвата воздушной полости
Захват и затопление порции воздуха с поверхности столбика магнитной жидкости (МЖ), находящейся внутри стеклянной трубки, осуществляется управляемым потоком МЖ под действием пондеромоторных сил неоднородного магнитного поля, набегающего на свободную поверхность.
Результаты исследования данного процесса могут быть полезны для расширения экспериментальной базы вибро- и магнитореологии МЖ. Описанная в [104] 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, предложенная в [106] при исследовании 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 затопления воздушной полости МЖ в набегающем магнитном поле 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.
В этой проводилось исследование физической природы процесса затопления воздушной полости МЖ в набегающем с заданной скоростью магнитном поле на образцах магнитного коллоида, приготовленных на различной дисперсионной основе.
В нижней части трубки на рисунке 4.2 показана изолиния 0,018. Согласно концепции «отображения» геометрии свободной поверхности изолиния 0,018 иллюстрирует форму поверхности МЖ при ее течении вдоль стенок трубки на начальной стадии захвата воздушной полости. Полученное «отображение» формы поверхности пристеночного слоя перетекающей жидкости, на рисунке 4.2 выделенного штриховкой, согласуется с данными визуального наблюдения [107]. По мере перемещения магнита вниз и приближения его к свободной поверхности МЖ наблюдается эволюция формы поверхности. Вначале свободная поверхность имеет плоскую горизонтальную форму. С приближением магнита к МЖ ее поверхность сначала принимает вогнутую форму, близкую к форме эллиптического параболоида, а затем, пондеромоторные силы, прижимая жидкость к стенке трубки, одновременно втягивают ее в область максимального поля. На поверхности трубки в плоскости симметрии магнита образуется кольцо изМЖ.
Путем визуальных наблюдений установлено, что при медленном (квазистатическом) опускании магнита и приближения его к свободной поверхности МЖ наблюдается эволюция формы поверхности [108]. Вначале свободная поверхность имеет плоскую горизонтальную форму. С приближением магнита к МЖ ее поверхность принимает вогнутую форму, после чего пристеночный магнитогидродинамический поток захватывает воздушную полость определенного объема. Таким образом, процесс захвата и затопления воздушной полости осуществляется за счет перетока жидкости по стенкам трубки. Течение жидкости приостанавливается при прекращении движения магнита, следовательно эффект наблюдается только в набегающем магнитном поле.
Отдельный интерес представляет тот факт, что в процессе передислокации воздушной полости переток жидкости по стенкам трубки происходит не в виде пленочного течения, как это имело бы место с обычной жидкостью под действием, например, силы тяжести, а в виде тонких струй (рис.4.3). Модель «слабомагнитной» среды не объясняет это явление [95].
Как известно, свободная поверхность магнитной жидкости является неустойчивой в перпендикулярном к ней магнитном поле Н„. На ней возникают пики, расположенные периодично на поверхности. Если же у напряженности магнитного поля есть тангенциальная составляющая вдоль поверхности жидкости Н„, то она препятствует развитию возмущений, периодических вдоль поля. В этом случае периодичность возмущений поверхности будет иметь место только в направлении, перпендикулярном этой составляющей поля. Результатом такой неустойчивости будут валы на поверхности, ось которых совпадает с направлением тангенциальной компоненты магнитного поля. При этом неустойчивость плоской поверхности возникает при превышении нормальной к поверхности компоненты намагниченности жидкости М„ некоторого критического значения, обеспечивающего критическое значение безразмерного критерия неустойчивости , [62]. Магнитное поле имеет нормальную и тангенциальную к плоскости компоненты напряженности М„ и Мт, которые создают соответственно нормальную и тангенциальную компоненты намагниченности жидкости М„ и Мт. Соответствующая конфигурация магнитного поля в экспериментах создавалась постоянным магнитом, расположенным на подложке. Течение жидкости осуществляется под действием касательной к плоскости компоненты градиента напряженности магнитного поля (V//)t. Удержание жидкости на подложке осуществляется нормальной к плоскости компонентой градиента напряженности магнитного поля (Wf)„, модуль которой есть G.
В этом случае критерий поверхностной неустойчивости определяется следующим образом: а его критическое значение для тонкого слоя магнитной жидкости на немагнитной подложке: S, =4. (Здесь до - магнитная проницаемость вакуума, а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости). При этом длина волны Л возмущений, приводящих к неустойчивости, будет определяться следующим образом:
В опытах по захвату воздушной полости потоком магнитной жидкости внутри кольцевого магнита также имеет место большая составляющая напряженности магнитного поля, направленная вдоль оси магнита, которая не дает образовываться пикам вдоль оси. Поэтому форма поверхности жидкости на внутренней поверхности трубки внутри магнита будет представлять собой валы с осью, параллельной оси магнита и периодические по периметру с длиной волны неустойчивости поверхности. А течение жидкости по поверхности трубки будет осуществляться в виде соответствующих струек, ширина которых будет определяться этой длиной волны.
На основе концепции «отображения» геометрии свободной поверхности магнитной жидкости топографией изолиний модуля напряженности магнитного поля описана форма свободной поверхности жидкости на начальной стадии захвата полости. Дано экспериментальное и теоретическое объяснение на основе модели неустойчивости В.Г. Баштового струйного механизма течения магнитной жидкости при перемещении полости вниз по трубке
Явление электромагнитного излучения колеблющимся в намагниченной магнитной жидкости газовым пузырьком
Осциллограммы электромагнитных сигналов, показанные на рисунках 3.13-3.18, предоставляют определенную информацию о перемещениях частиц магнитной жидкости при образовании и колебаниях пузырька.
Особенности осциллограммы эксперимента с образцом МЖ-1 (рис. 3.13а) позволяют предположить, что в промежуток времени 1-5 длительностью 7 мс возникают микропотоки МЖ в окрестности вытянутого в вертикальном направлении участка поверхности полости. Об этом свидетельствует присутствие на осциллограмме отрицательного и положительного всплесков принятого сигнала относительно большой амплитуды длительностью 3,5 мс каждый. Микропотоки МЖ возникают при незначительном проникновении полости за «магнитный барьер», формировании и отрыве пузырька, установлении равновесной (окончательной) формы полости.
Отрезок осциллограммы 2-4 длительностью 2,6 мс содержит радиоимпульс, испускаемый колеблющимся пузырьком (на рисунке 3.13а обозначен цифрой 3). Толчком, выводящим из равновесия колебательную систему - «пузырек воздуха в жидкости», может служить гидравлический удар, возникающий при замыкании шейки отрывающегося от полости пузырька.
На рисунке 3.136 в укрупненном масштабе времени представлена осциллограмма радиоимпульса, испускаемого колеблющимся пузырьком. Стандартным способом по длительности пяти полных колебаний получим период и частоту колебаний воздушного пузырька v. В нашем случае v = 2500 Гц.
Для определения размера газовых пузырьков, отделяющихся от полости при избыточном давлении, нами рассчитано оценочное значение радиуса пузырька по его среднему объему VQ, который получен путем деления исходного объема захваченной воздушной полости на число электромагнитных импульсов — индикаторов отрыва пузырьков. Полученные данные для исследуемых образцов МЖ приведены в таблице 4.1.
Частота колебаний пузырька в невязкой жидкости связана с его радиусом посредством выражения [89]:
Для МЖ-58, принимая р=1252 кг/м3, у=1,4, и полученное экспериментально значение v=2,13 кГц, находим: R0= 1,4 мм. Данный результат подтверждает и уточняет приведенную выше оценку значения До.
Результаты расчета R0 для образцов МЖ приведены в таблице 4.6.
Расхождение значений радиуса пузырька, полученных двумя методами не превышает 10%.
Для МЖ-54 и МЖ-57 зафиксировать частоту колебаний пузырька не удалось, и, как следствие, не удалось рассчитать і?о- Для образцов МЖ с большой вязкостью характерно, что оторвавшиеся от полости пузырьки имеют большой объем, при этом число оторвавшихся пузырьков до полного выдавливания полости невелико.
С увеличением вязкости образцов порядке МЖ-1, МЖ-58, МЖ-55, МЖ-56 обоими методами зафиксирован факт возрастания радиуса оторвавшегося пузырька. Такая же тенденция сохраняется и для образцов МЖ-54 и МЖ-57, однако, характерный радиоимпульс в опытах с данными образцами не наблюдается. Для объяснения приведенных результатов на качественном уровне воспользуемся интерпретацией свободной поверхности МЖ, основанной на методе «изолиний» (рис. 4.6). При постоянной достаточно малой скорости опускания магнита верхний участок полости принимает форму конической поверхности, на вершине которой происходит образование и отрыв пузырька. Чем острее угол при вершине конуса, тем меньше радиус шейки пузырька при его отрыве. Естественно предположить, что свободная поверхность полости принимает равновесную форму с запаздыванием в зависимости от вязкости жидкости. В неравновесном состоянии поверхность имеет более гладкую (округлую) форму, иллюстрируемую изолинией 0.08, что способствует увеличению радиуса шейки отрывающегося пузырька г. Отрыв происходит при равенстве силы поверхностного натяжения достигаемом в данном случае при большем значении объема пузырька Го. (Обозначения: Мир- намагниченность и плотность магнитной жидкости, Н - напряженность магнитного поля, Цо - магнитная постоянная)
Причиной отсутствия в полученных осциллограммах для образцов МЖ-54 и МЖ-57 радиоимпульса, характерного для колеблющегося пузырька, является большая вязкость образцов. Дело в том, что, как известно из теории акустической кавитации [89, 112], одной из компонент давления на границе пульсирующего пузырька в вязкой жидкости является компонента, обусловленная наличием касательных поверхностных сил напряжения:
Произведем оценку скорости захлопывания пузырька в жидкости в «нулевом» приближении на основе формулы Рэлея, полученной для свободного от газа пузырька с начальным радиусом Rm, находящегося в невязкой жидкости: соизмеримо со значением атмосферного давления р0, под действием которого происходит смыкание полости. Следовательно, силы вязкого трения обуславливают существенное «замедление» гидродинамических процессов, усиливают диссипацию энергии колебательной системы и значительное возрастание коэффициента затухания колебаний.
Конечно, «тормозящее» действие вязкого напряжения проявляется и в других составляющих гидродинамического процесса при отделении пузырька от полости, в том числе тех, которые обуславливают толчок -возбуждение колебаний в системе воздушный пузырек - жидкость. Этот фактор приводит к уменьшению начальной амплитуды колебаний.
Если амплитуда и длительность импульса будут находиться за пределами динамического диапазона усилительного устройства и АЦП, то полезный сигнал не наблюдается.
Эксперимент по фиксации колебаний всплывающего сквозь МЖ пузырька для каждого образца проведен более 200 раз. На основании этих данных построены гистограммы (рис. 4.7-4.10), показывающие сколько раз был зафиксирован случай всплытия пузырька определенного диаметра. Результаты приведены в процентах, где 100% -общее количество обработанных пузырьков в данном эксперименте на данном образце.
По полученным данным изучена также зависимость радиуса всплывающего пузырька от размера воздушной полости, находящейся под столбиком МЖ. Обнаружена тенденция к уменьшению радиуса пузырька по мере сокращения объема полости, что отражено графически при помощи гистограммы, представленной на рисунке 4.11. Здесь высота каждого прямоугольника соответствует среднему значению Ro в соответствующем интервале значений Vg. По-видимому, эта тенденция связана с уменьшением угла при вершине конуса, образованного поверхностью полости, соприкасающейся с плоскостью симметрии магнита (рис.4.6), и, как следствие, - с уменьшением порции воздуха, продавливаемого через «магнитный барьер».
Метод электромагнитной индикации размеров газовых пузырьков в МЖ позволяет с высокой точностью определить размер и массу каждой порции газа. Этот факт имеет значение при выборе устройства для высококачественного мониторинга процесса дозированной подачи малых порций газа в реактор.
Таким образом, экспериментально доказана возможность прецизионного определения размеров пузырька по частоте излучения. Обнаружена зависимость размеров оторвавшихся пузырьков от вязкости дисперсионной среды, для физической интерпретации которой используются результаты кавитационной теории.
