Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Описание свойств магнитной жидкости
1.1. Получение и структура магнитного коллоида 10
1.2. Физическая природа устойчивости МЖ - гетерогенной конденсированной среды. Образование агрегатов 14
1.3. Упругость магнитного коллоида при всестороннем изотермическом и адиабатическом сжатии 19
1.4. Неньютоновский характер вязкости ненамагниченной магнитной жидкости 22
1.5. О наличии упругих свойств у магнитожидкостной мембраны 26
1.6. Проблемы изучения прочностных и кинетических свойств магнитожидкостных наполнителей межполюсных зазоров 28
1.7. Выбор и обоснование направления исследования 33
ГЛАВА 2. Методика экспериментального исследования свойств магнитожидкостной мембраны
2.1. Описание экспериментальной установки 34
2.2. Методика возбуждения колебаний и определения динамического коэффициента пондеромоторной упругости 47
2.3. Методика измерения вспомогательных параметров исследуемых объектов. Погрешность измерений 54
ГЛАВА 3. Результаты экспериментального исследования
3.1. Физические свойства объекта экспериментального исследования 63
3.2. Результаты измерений термодинамическим методом 66
3.3. Результаты измерений частоты, динамического коэффициента пондеромоторной упругости и коэффициента затухания колебаний 76
3.4. Результаты измерений гидростатическим методом 81
3.5. Описание процесса разрыва - восстановления мембраны, основанное на результатах визуального наблюдения 88
ГЛАВА 4. Разработка теоретической основы методов исследования
4.1. Теоретическая основа термодинамического метода 93
4.2. Теоретическая основа гидростатического метода 111
4.3. Оценка геометрии свободной поверхности МЖ-перемычки 117
ГЛАВА 5. Анализ результатов эксперимента и выводы
5.1. Анализ результатов эксперимента, проводимого на основе термодинамического метода 120 .
5.2. Анализ результатов эксперимента, проводимого на основе гидростатического метода 128
5.3. Релаксационная модель упругости магнитожидкостной мембраны 131
5.4. Сравнение результатов описания диссипативных свойств 135
Заключение 137
Благодарности 139
Список литературы 140
- Упругость магнитного коллоида при всестороннем изотермическом и адиабатическом сжатии
- Методика возбуждения колебаний и определения динамического коэффициента пондеромоторной упругости
- Результаты измерений частоты, динамического коэффициента пондеромоторной упругости и коэффициента затухания колебаний
- Анализ результатов эксперимента, проводимого на основе гидростатического метода
Введение к работе
Актуальность работы. Воздействие электромагнитного поля на магнитную жидкость (МЖ) может привести к возникновению в ней различного рода колебаний: колебаний формы, поверхностных, звуковых. Возможность использования МЖ в качестве источника ультразвуковых колебаний изучалась в большом количестве работ. В этих работах МЖ рассматривалась как сплошная несжимаемая среда, характеризуемая сильной магнитной восприимчивостью. Сравнительно недавно (2001 2002 гг..) появились сообщения Mace B.R., Jones R.W., Harland N.R., а также Полунина В.М., Постникова Е.Б., Карповой Г.В., Лобовой О.В., в которых описывались колебательные системы с управляемыми магнитожидкостными перемычками.
Магнитожидкостная перемычка, подпружиненная изолированной газовой полостью и упругостью пондеромоторного типа, рассматривается как магнитожидкостная мембрана (МЖМ). Модель МЖМ представляет собой каплю магнитного коллоида, перекрывающую сечение стеклянной трубки благодаря стабилизирующему действию неоднородного магнитного поля коаксиально расположенного кольцевого магнита. При наличии в трубке донышка магнитожидкостная перемычка изолирует находящуюся под ней воздушную полость. В данном случае МЖ функционирует как несжимаемая среда, и существенными становятся такие её качества: магнитоуправляемость свободной поверхности, текучесть, инертность. В отличие от «обычных» жидкостных плёнок МЖМ обладает способностью к самовосстановлению. Разрыв восстановление магнитожидкостной перемычки сопровождается генерированием затухающих акустического и электромагнитного импульсов.
Для механики жидкости и газа, магнитной гидродинамики, физической акустики являются немаловажными прочностные и кинетические свойства МЖМ, описываемые такими параметрами как величина критического перепада давления, обеспечивающего разрыв МЖ-перемычки, коэффициент пондеромоторной упругости, «время жизни» отверстия в перемычке, скорость газового потока в отверстии, смещение перемычки, масса пропускаемой порции газа. К сожалению, получить «чисто аналитическое» решение такого рода задачи не представляется возможным.
Вместе с тем исследование физических свойств МЖМ отвечает и интересам
практического характера. В частности, заслуживает внимания идея использования МЖМ в качестве клапана, 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.
Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.
Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследование прочностных и кинетических свойств магнитожидкостной мембраны.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать термодинамический и гидростатический методы определения критического перепада давлений, динамического коэффициента пондеромоторной упругости МЖ-перемычки используемых моделей МЖМ;
получить выражения для оценки кинетических параметров МЖМ (смещение перемычки, «время жизни» отверстия в перемычке, скорость газового потока в отверстии перемычки, масса пропускаемой порции газа), с использованием которых произвести соответствующие расчеты;
определить экспериментальным путем значения критического перепада давления при первом разрыве МЖ-перемычки и приращения давления в газовой полости при её последующих разрывах на основе двух указанных методов измерений для выбранной модели МЖМ с использованием набора МЖ из 69 образцов;
визуально изучить форму свободной поверхности МЖ-перемычки и её эволюцию в процессе смещения из положения равновесия;
на основе полученных экспериментальных и теоретических данных составить представление о физических процессах, сопровождающих разрыв-восстановление МЖ-перемычки в исследуемой модели МЖМ.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
Разработаны термодинамический и гидростатический методы измерений и создана экспериментальная установка для определения критического перепада давлений при первом разрыве МЖ-перемычки и приращения давления в газовой полости при её последующих разрывах.
Разработана методика измерения динамического коэффициента пондеромоторной упругости и расчета кинетических параметров МЖМ (смещение перемычки, «время жизни» отверстия в перемычке, скорость газового потока в отверстии перемычки, масса пропускаемой порции газа).
Впервые рассчитаны кинетические параметры МЖМ по данным, полученным на основе термодинамического и гидростатического методов измерений критического перепада давлений. Для термодинамического метода измерений использовались 8 образцов коллоидного раствора однодоменных частиц магнетита Fe3O4 в керосине и 1 образец раствора в кремнийорганике; для гидростатического метода измерений использовались 6 образцов керосиновой МЖ. Полученные данные позволяют составить новые представления о физических процессах, сопровождающих разрыв-восстановление МЖ-перемычки.
Экспериментально установлено превышение значения критического перепада давления, полученного на основе термодинамического варианта измерений, над значением этого параметра, полученным по данным гидростатического варианта измерений, ~ 30 %, интерпретация которого может быть дана на основе релаксационной концепции пондеромоторной упругости.
На защиту диссертационной работы выносятся следующие положения:
1. Термодинамический и гидростатический методы и экспериментальная установка, разработанные для измерений критического перепада давления, а также полученные результаты измерений.
2. Методика измерения динамического коэффициента пондеромоторной упругости и полученные на её основе результаты.
3. Полученные выражения для оценочного расчета прочностных и кинетических параметров МЖМ (смещения перемычки, «времени жизни» отверстия в перемычке, скорости газового потока в отверстии перемычки, массы пропускаемой порции газа).
4. Результаты расчета прочностных и кинетических параметров МЖМ, позволяющие составить представление о физических процессах, сопровождающих разрыв-восстановление МЖ-перемычки.
5. Гипотеза о релаксационном характере пондеромоторной упругости и численная оценка, основанная на ней, статического коэффициента пондеромоторной упругости исследованной модели МЖМ.
Достоверность результатов обеспечивается: проведением опытов с использованием апробированных экспериментальных методик и расчётами погрешностей измерения; использованием поверенной измерительной техники; сравнением экспериментальных результатов и теоретических зависимостей с имеющимися данными работ, выполненных другими авторами, которые должны быть идентичными с учётом конкретных условий; совпадением данных нескольких независимых между собой экспериментов, проведённых на одних и тех же образцах.
Научная и практическая ценность диссертации заключается в том, что разработанный метод возбуждения и индикации упругих колебаний МЖ-перемычки, полученные экспериментальные и теоретические результаты могут быть полезны при проектировании новых и модернизации известных устройств, использующих магнитожидкостное заполнение зазоров, а также при создании
дозаторов газа.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на VI и VII Международных научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2003 г. и 2005 г.), 11-ой и 12-ой Международных Плёсских конференциях по магнитным жидкостям (Иваново, 2004 г. и 2006 г.), XV, XVI и XVIII сессиях Российского акустического общества (Н.Новгород, 2004 г., Москва, 2005 г., Таганрог, 2006 г.), Х Международной конференции «Современные технологии обучения «СТО-2004» (Санкт-Петербург, 2004 г.), XXXII вузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодёжь и ХХI век» (Курск, 2004 г.), VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2005 г.), 11-ой Всероссийской научной конференции студентов физиков (Екатеринбург, 2005 г.).
Публикации: Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 16 работах.
Личный вклад автора: разработаны методика и экспериментальная установка, выполнен весь объём экспериментальных исследований, получены выражения для оценки кинетических параметров МЖМ, рассчитаны значения прочностных и кинетических параметров МЖМ, сформулированы положения, выносимые на защиту. Вклад соавторов в опубликованных в соавторстве работах заключается в формулировке общей концепции исследования и постановке задач (научный руководитель), при обсуждении и описании результатов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 155 страницах и содержит 40 рисунков, 26 таблиц и 136 наименований цитируемой литературы.
Упругость магнитного коллоида при всестороннем изотермическом и адиабатическом сжатии
Оценка энергии, соответствующей магнитной седиментации для типичных материалов частиц (магнетит) показала, что при #«10 кА/м и L да 102 мм энергия магнитной седиментации на два порядка превышает энергию гравитационной седиментации. Для жидкости, находящейся в поле дополнительной гравитационной силы с ускорением ng, фактор п должен быть порядка 10, чтобы седиментационная устойчивость была определяющей. В связи с этим устойчивость МЖ надо оценивать по условию U m кТ ,где U nTfio тН- энергия, соответствующая магнитной устойчивости частиц.
Для устойчивой коллоидной системы получено d « 10 нм, т.е. тот же порядок, что и из условия агрегативной устойчивости МЖ.
Итак, рассматривая МЖ как трёхфазную систему частица-оболочка-основа (носитель), можно сделать вывод: устойчива МЖ с диаметром частиц d 10 нм, объёмной долей ферро - или ферримагнетика (р = 10-20 % при толщине оболочки ПАВ 8 да 0,2 d.
При наложении внешнего поля МЖ становится неизотропной: в ней происходит ориентация отдельных магнитных моментов и, следовательно, самих частиц, если существует связь между моментом частицы и её кристаллографической осью. Ориентационный порядок в МЖ проявляется также относительно крупных частиц из-за магнитного дипольного взаимодействия, которое имеет место в концентрированных МЖ. В работе [29] обнаружено, что в магнитном поле вследствие магнитного взаимодействия между частицами Fe, Со и Ni происходит образование цепочек из этих частиц вдоль направления магнитного поля. Переход к суперпарамагнетизму (безгистерезисный вид кривой намагничивания) при уменьшении размеров этих частиц не наблюдался, а коэрцитивная сила и остаточная намагниченность возрастали по сравнению со случаем произвольно ориентированных частиц. Образование агрегатов в виде цепочек из мелких частиц а - Fe203 описано и в работе [30,31].
Появление в МЖ агрегатов из магнитных частиц, как и увеличение диаметра монодисперсных частиц, качественно влияет на кривую намагничивания. Увеличение намагниченности связано с ростом упорядоченности расположения цепей при повышении напряжённости магнитного поля. С приближением к состоянию магнитного насыщения указанное превышение намагниченности стремится к нулю.
Размеры агрегатов в МЖ колеблются от цепочки из нескольких частиц до эллипсоидальных групп из более чем 1010 частиц и могут достигать dcp = 10"6 м. Такие крупные агрегаты можно наблюдать с помощью микроскопа, что и было сделано в работах [32-35], в которых сообщается о наблюдении в магнитных жидкостях каплевидных образований сильно вытянутых в направлении внешнего магнитного поля. Отношение поперечных и продольных размеров таких "нитей" может превышать 10 и более. Процессы агрегатирования могут быть обратимыми [36]. Размеры агрегатов зависят от концентрации МЖ, напряжённости магнитного поля, температуры и т.д., форма агрегатов зависит от типа МЖ. Образовываться агрегаты могут и в отсутствии магнитного поля. Возможность образования агрегатов в МЖ исследовалась и в теоретических работах [29,37-47].
В реальных МЖ размеры частиц лежат в пределах 10" - 10" м [48]. С увеличением размеров частиц увеличивается магнитный момент каждой из них и усиливается диполь-дипольное взаимодействие между ними. Когда расстояние между ними соответствует вторичному минимуму энергии взаимодействия при сохранении барьера отталкивания, броуновское движение не может восприпятствовать их слипанию и образованию цепочек, кластеров или сплошных пространственных сеток [49]. Можно ввести безразмерную "константу спаривания", характеризующую соотношение энергии диполь-дипольного взаимодействия т2/с? с тепловой энергией коТ и определяющую степень взаимодействия частиц [38]:
При А/ 1 частицы уже могут образовывать агрегаты, форма и структура которых определяется минимумом магнитостатической энергии, влиянием поверхностных сил. Интенсивное перемешивание разрушает неустойчивые структуры и приводит к образованию гранул [50] сферической формы. Размер гранул определяется соотношением магнитодипольных и поверхностных сил взаимодействия частиц, а также видом и временем перемешивания. При X 1 броуновское движение препятствует образованию агрегатов.
Равновесная поверхность МЖ формируется под влиянием трёх различных сил: тяжести, поверхностного натяжения и магнитных. В случае, когда однородное магнитное поле направлено по нормали к горизонтальной поверхности жидкости, имеется критическое значение напряжённости магнитного поля НК, выше которого плоская форма поверхности раздела магнитных и немагнитных сред неустойчива по отношению к малым возмущениям [48, 51-54]. Равновесная форма свободной поверхности МЖ при Н Нк является неподвижной и образует правильную гексагональную структуру в виде пиков. Для керосиновой МЖ Нк = 10 - 15 кА/м [48]. В плоских слоях МЖ в нормальном к слою магнитном поле также проявляются магнитостатические неустойчивости, обусловленные действием размагничивающего поля [54, 55]. Резюмируя рассмотренные проблемы устойчивости МЖ как трёхфазной системы, можно сделать вывод: устойчива МЖ с диаметром частиц d 10 нм, объёмной долей ферро - или ферримагнетика ср = 10-20 % при толщине оболочки ПАВ 8 & 0,2 d. А равновесная форма свободной поверхности магнитного коллоида при работе в перпендикулярном магнитном поле, характеризуемом Н 15кА/м, является неподвижной и образует правильную гексагональную структуру в виде пиков.
Методика возбуждения колебаний и определения динамического коэффициента пондеромоторной упругости
В ходе тестирования данного метода был выявлен ряд недостатков. Так разброс экспериментальных данных является, в частности, следствием отличия количества МЖ при образовании мембраны.
Необходимо указать, что в такой постановке эксперимента перемещение магнитной головки осуществляется «вручную», поэтому, учитывая малость значений перепада давления для последующих разрывов, представляется невозможным оценить этот параметр.
Поскольку при расширении изолированной газовой полости давление в ней понижается, то при разрыве МЖМ поток воздуха устремляется внутрь изолированной области. В процессе этого из перемычки вырываются микрокапли МЖ, размеры и направление движения которых зависят от величины и направления скорости воздушного потока. Например, из таблицы 2.2 видно, что наибольшим значением Рк1 является Рм = 0,87 кПа при высоте водного столба 88,5 мм. Но необходимо заметить, что в данном случае при разрыве воздушным потоком было вынесено значительное количество МЖ из области максимального магнитного поля, по этой причине МЖМ потеряла способность к самовосстановлению. В результате в условиях данного эксперимента на поверхности водяного столба внутри трубки образуется плёнка, присутствие которой нарушает чистоту эксперимента и затрудняет дальнейшие измерения.
Учитывая вышеперечисленные замечания, была создана установка, приведенная на рис. 2.3. Необходимо отметить, что рассмотренная методика предусматривает изменение условий эксперимента - сжатие изолированной газовой полости.
Первоначально нами использовалась стеклянная трубка длиной 350 мм внутреннего диаметра 13,3 мм, открытая с двух сторон. Экспериментальные данные для МЖ-7 при различных значениях начальной высоты изолированного воздушного столба приведены в таблице 3.9 главы 3. Как выяснилось из эксперимента зависимость Pkl%s (h0) очень незначительна, поэтому последующие измерения выполнены для одного и того же значения начальной высоты изолированной воздушной полости ho = 160 мм. Необходимо также отметить, что в случае использования открытой с двух сторон трубки недостатком является возникновение серии из 6 - 8 разрывов при достижении критического перепада давления. Это объясняется тем, что из известного выражения Пуазейля количество протекающей жидкости Q пропорционально радиусу трубки R в четвёртой степени: где ЛР - разность давлений на концах трубки длиной /, a v = rj/p -кинематическая вязкость, определяемая как отношение динамической вязкости к плотности. То есть в момент разрыва МЖМ давление в газовой полости уменьшается (не до первоначального). В тот же момент дистиллированная вода начинает втекать внутрь трубы. Поскольку момент разрыва очень мал, то вследствие разности давлений и инертности, водяной столб продолжает своё движение ещё некоторое время. В результате изолированная газовая полость сжимается, давление внутри неё повышается и вновь происходит разрыв. И т.д. до 6 - 8 разрывов. Таким образом, в данной постановке эксперимента не представляется возможным оценить другие прочностные и кинетические параметры магнитожидкостной мембраны. Для решения проблемы серии разрывов мы использовали стеклянную трубку открытую сверху, в нижний конец которой вставлена фторопластовая пробка высотой 15 мм со сквозным отверстием в центре диаметром 1 мм. Тестирование, проводимое на образце МЖ-7, при / =25 С объёме магнитного коллоида в МЖМ 2мл и h0=\60 мм дало значение hf-hj= 58,0 мм, что соответствует Pkl = 567 Па с относительной погрешностью 2,5%. Экспериментальное исследование упругих свойств магнитожидкостной мембраны проводилось на основе методики, позволяющей осуществить возбуждение упругих колебаний и с достаточной точностью определить упругие параметры: период, частоту собственных колебаний системы и коэффициент затухания. Возбуждений колебаний системы при помощи внешнего источника звуковых волн оказалось неэффективным ввиду малости амплитуды возбуждаемых колебаний. В разработанной методике возбуждение упругих колебаний достаточной амплитуды достигается путём создания резкого разрежения, следствием чего является резкое смещение магнитожидкостной мембраны из положения равновесия, что и предопределяет развитие колебательного процесса.
Схематическое изображение установки приведено на рис. 2.7. В данном случае модель МЖМ создаётся следующим образом. Колба 1 объёмом 0,5 л закрепляется вертикально при помощи держателя 2 так, что её горлышко, представляющее собой трубку внутренним диаметром 13,3 мм, располагается коаксиально с кольцевым магнитом 3. Магнитный коллоид заливается в область максимального магнитного поля в точно определённом объёме при помощи мерной трубки, образуя сплошную МЖ-перемычку 4. Опускаем поршень 5, герметичность контакта со стенками трубки которого обеспечивается резиновой насадкой, не ниже открытого отверстия 6. Далее отверстие закрывается и резко выдергивается поршень. В результате резкого возникновения перепада давления происходит смещение МЖ-элемента из положения равновесия, сопровождающееся разрывом. Далее давление в колбе резко возрастает за счет воздушного потока, устремляющегося внутрь, происходит самовосстановление сплошности перемычки, перемещение её под действием пондеромоторного фактора в обратном направлении и последующие колебания. В момент прохождения перемычкой положения равновесия при помощи катушки индуктивности 7, вставленной в магнит, фиксируется максимальное значение ЭДС. Сигнал подаётся на осциллограф 8, работающий в режиме внешней синхронизации, а затем снимается цифровой камерой 9 и поступает в персональный компьютер 10 для последующей обработки.
Результаты измерений частоты, динамического коэффициента пондеромоторной упругости и коэффициента затухания колебаний
По данным, приведённым в таблице 3.12, можно заметить, что величина tki имеет тенденцию к увеличению по мере роста плотности магнитного коллоида, а также по мере роста его концентрации магнитной фазы. Т.к. изменение в газовой полости пропорционально времени работы вертушки, то можно сказать, что и перепад давления имеет тенденцию к увеличению. Что касается tk, то здесь наблюдается обратная тенденция, т.е. уменьшается по мере роста концентрации магнитной фазы исследуемого образца.
Исходя из результатов визуального наблюдения за эволюцией формы свободной поверхности МЖ-перемычки, процесс разрыва - восстановления может быть представлен следующим образом.
Поскольку наличие относительно небольшой радиальной составляющей магнитного поля в окрестности оси и относительно незначительного радиального градиента осевой составляющей способствует перетеканию жидкости в область максимального поля, то свободная поверхность перемычки приобретает форму двояковогнутой линзы [9, 10]. В центре по обе стороны перемычки имеются небольшие выступы - пики, обусловленные неустойчивостью поверхности МЖ в поперечном поле при превышении определенного порогового значения напряженности [52, 55]. Необходимо заметить, что размеры образовавшихся пиков зависят от их количества. Так, например, для МЖ-6 по фотографии был определен диаметр основания пиков dp. Измерения показали, что в случае существования двух пиков dp 2 мм, один пик dp 3 мм. В ходе работы с различными образцами магнитных коллоидов на поверхности МЖ-перемычки наблюдалось от 1 до 5 выступов (рис. 3.19 (а) - (г)).
В момент образования методом заливки «сверху» МЖ-перемычка находится в положении начального равновесия, а её верхняя и нижняя свободные поверхности симметричны.
Рассмотрим процесс создания условий для разрыва - восстановления МЖМ на примере сжатия изолированной газовой полости. При этом по первому пути развивается процесс при измерениях термодинамическим методом, по второму - при гидростатическом методе измерений.
В первом варианте магнитная головка смещается вниз, увлекая за собой МЖ-перемычку, чему препятствует упругость изолированной газовой полости. В результате центральная часть перемычки оказывается смещенной относительно магнитной головки, а также положения равновесия, вверх.
По второму варианту в результате подъёма водяного столба внутри трубки, а, следовательно, и уменьшения объёма газовой полости, обладающей мгновенной упругостью, магнитная жидкость, образующая перемычку, перетекает и вытесняется из положения равновесия вверх.
Поскольку существует «привязка» магнитного коллоида к топографии магнитного поля, то острия пиков на верхней поверхности расходятся по мере смещения перемычки, а углубление между ними увеличивается. На нижней поверхности по мере приближения к положению равновесия пики сближаются, а после его прохождения начинают расходиться их основания, что способствует увеличению углубления снизу. Таким образом, при достижении критического перепада давления, в центральной части перемычки, обладающей в этот момент наименьшей толщиной, происходит разрыв (рис. 3.19.(д)). Образованное отверстие имеет практически круглое сечение. Из изолированной полости устремляется поток воздуха, вырывая по пути микрокапли магнитной жидкости.
Перемычка смещается по направлению к положению равновесия, её сплошность восстанавливается, что сопровождается перетеканием жидкости и возникновением колебаний (рис.3.19.(е)). После прохождения потока воздуха и захлопывания отверстия на верхней свободной поверхности МЖ-перемычки могут образовываться воздушные пузыри, покрытые плёнкой МЖ. Также вследствие изменения картины магнитных линий в ходе смещения магнитожидкостного элемента в момент разрыва - восстановления может изменяться количество пиков.
По материалам 3 главы, изложенным выше, можно сделать следующие выводы: 1. На основании литературных источников и полученных опытных данных составлена подробная характеристика физических свойств основного элемента магнитожидкостной мембраны МЖ-перемычки. 2. Произведены измерения параметров, характеризующих прочностные и кинетические свойства МЖМ, на основе термодинамического метода для моделей магнитожидкостной мембраны на основе МЖ типа магнетит в керосине и магнетит в кремнийорганике. 3. Обнаружена тенденция увеличения hk и Г с ростом значения ho и тенденция уменьшения hk по мере увеличения плотности используемого в МЖМ магнитного коллоида. 4. Произведены измерения периода, частоты и коэффициента затухания колебаний МЖ-перемычки, а также динамического коэффициента пондеромоторной упругости модели магнитожидкостной мембраны с использованием МЖ, жидкостью-носителем которых является керосин. 5. Выявлена закономерность увеличения коэффициента затухания с ростом резонансной частоты колебаний магнитожидкостного элемента. 6. Проведены измерения параметров, характеризующих прочностные и кинетические свойства, на основе гидростатического метода для модели МЖМ с различными значениями параметра И0 и для модели МЖМ с МЖ-перемычкой с использованием 6 различных образцов керосиновых магнитных жидкостей. 7. На основе гидростатического метода получены результаты измерений параметров, характеризующих физические процессы, сопровождающие первый разрыв МЖ-перемычки (изменение высоты внутреннего водяного столба в результате N разрывов, время работы подъёмного механизма, по истечении которого происходят разрывы (первый и последующие)). 8. Произведено описание процесса разрыва - восстановления мембраны, основанное на визуальном наблюдении формы свободной поверхности МЖ-перемычки и её эволюции в процессе смещения из положения равновесия
Анализ результатов эксперимента, проводимого на основе гидростатического метода
Результаты расчета кинетических свойств для используемых моделей МЖМ на основе различных магнитных коллоидов по формулам (4.22), (4.25), (4.29), (4.30), (4.33) используя данные таблиц 3.12 главы 3 и таблицы 5.7,принимая/1/ и Р-Р0 равными Pk] , приведены в таблице 5.8.
Как видно из таблицы 5.8 наименьшее значение Лт принадлежит МЖМ на основе магнитного коллоида с большей концентрацией магнитной фазы, что аналогично результатам, полученным термодинамическим методом. Также по данным таблицы видно, что полученное значение времени существования отверстия г меньше (почти в семь раз) времени , необходимого для выравнивания давления в полости с атмосферным, а значит высказанные предположения, что при сжатии газовой полости
По результатам 5.2. для гидростатического метода измерений можно сделать следующие выводы: 1. произведен расчет критического перепада давления при первом разрыве МЖ-перемычки и приращений давления в газовой полости при её последующих разрывах этих величин для выбранной модели МЖМ с использованием набора из 6 образцов МЖ; 2. произведены расчеты кинетических параметров МЖМ («время жизни» отверстия в перемычке, время выравнивания давления, скорость газового потока в отверстии перемычки при условии неравновесного и квазистационарного течения, масса пропускаемой порции газа) для МЖМ на основе 6 образцов МЖ; 3. «время жизни» отверстия меньше времени выравнивания давления в 4 раза и более, и меньше периода колебаний МЖМ как минимум в 20 раз.
Сравнивая значения критического перепада давления, при котором происходит разрыв используемой модели магнитожидкостной мембраны, полученные на основе термодинамического и гидростатического методов, мы видим, что их отличие составляет до 40 %. А приращение давления, обуславливающее повторный разрыв МЖ-перемычки, полученное на основе гидростатического метода измерений, превосходит результат термодинамического метода измерений примерно в 2 раза.
Этот факт может быть связан с тем, что используемая в исследовании модель пондеромоторнои упругости не учитывает реологические свойства МЖ-перемычки, и в итоге, не учитывает релаксационный характер упругости.
Это отличие указывает на то, что, по-видимому, свой вклад вносит особая реология магнитной жидкости, т.е. особенности течения вязкой магнитной жидкости при перемещении перемычки и изменении формы ее свободной поверхности в магнитном поле. Для расчета Ри ,d использовалась физическая модель, в которой магнитожидкостная перемычка рассматривается как диск, перекрывающий поперечное сечение трубки. На самом деле форма МЖМ не является плоской, на её поверхности наблюдаются явно выраженные пики, объём которых значителен. Более того, в результате вытеснения воздушным столбом при сжатии изолированной газовой полости, магнитная жидкость особым образом перетекает внутри МЖ-перемычки, меняя её форму и обуславливая её смещение относительно стенок трубы.
Поведение МЖМ в условиях быстропеременного процесса можно проиллюстрировать при помощи механической модели, показанной на рис. 5.6.
Моделью «чисто упругой» колебательной системы, подчиняющейся закону Гука, будет пружинка. Можно сопоставить жесткость пружинки коэффициенту упругости колебательной системы. Вязкое течение жидкости, подчиняющееся закону Ньютона, моделируется демпфером - устройством, применяемым для успокоения колебаний. Он состоит из поршня, движущегося в цилиндре с вязкой жидкостью. Коэффициент трения поршня будет соответствовать вязкости среды ц [64].
Закон Ньютона для вязкого течения можно представить как простейшее реологическое уравнение, в котором связаны механическое напряжение f, вязкость ц и скорость сдвиговой деформации s: / = rjs. При увеличении скорости деформации возрастает и сила сопротивления, уменьшается перемещение и блокируется действие параллельно присоединённой пружинки с коэффициентом упругости к]. В такой ситуации (динамический режим) действует только верхняя пружинка с коэффициентом упругости. В квазистатическом режиме деформации сила вязкого трения мала (поршень свободно перемещается) и упругость системы (статический коэффициент упругости kps) определяется упругостью двух последовательно соединенных пружинок. В соответствии с общепринятой терминологией [64] к} целесообразно называть релаксационным коэффициентом упругости, г\г - релаксирующей вязкостью, &00 - мгновенным коэффициентом упругости. Можно предположить, что релаксационный коэффициент упругости к\ формируется за счет механизмов поверхностного натяжения и локального приращения пондеромоторного взаимодействия МЖ-перемычки с магнитным полем. Мы исходили из того, что кц =kg +к d, поэтому для определения динамического коэффициента пондеромоторной упругости МЖМ используется соотношение: к d = kx-kg. При этом к» рассчитывается с использованием результатов измерения частоты колебаний МЖМ из формулы (2.1) (глава 2) На основе отличия данных критического перепада давления для термодинамического и гидростатического методов, а также высказанного предположения наличия релаксационного характера пондеромоторной упругости МЖМ, сделаем оценку статического коэффициента пондеромоторной упругости.
