Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Разработка новых способов управления информационными и технологическими потоками акустической энергии представляет значительный интерес как для совершенствования методов и средств неразрушаю-щего контроля, ультразвуковой технологии, метрологии и других областей, так и для создания новых. Для этих целей предлагается использовать мапштожидкостные звукопроводы (МЖЗ)-- объемы магнитной жидкости (МЖ), формируемые магнитным полем и обеспечивающие эффективную передачу и преобразование акустической энергии между источником (приемником) упругих волн и объектом. Широкие возможности по созданию стабильного акустического контакта в условиях невесомости, в труднодоступных местах, в зоне повышенной радиации, а также бесконтактные способы изменения параметров упругих волн и управления давлением в МЖЗ являются основой для разработки надежных и высокопроизводительных устройств и технологий, что представляет значительный интерес для использования в народном хозяйстве Беларуси.
Применение МЖЗ требует изучения комплекса взаимосвязанных акустических, тепло- и массообменных и гидродинамических процессов, лежащих в основе передачи и преобразования потоков акустической энергии, что представляет научный интерес с точки зрения акустики и теплофизики гетерогенных систем, гидродинамики намагничивающихся сред. Отсутствие полноты сведений о взаимосвязи акустических свойств со структурой коллоида в температурном диапазоне, включая изменение фазового состояния вещества, не позволяет определить модель адиабатной сжимаемости и выявить роль нелокальных релаксационных механизмов (включая тепловую и вязкую диффузию) и стоксозского поглощения в диссипации энергии упругих волн. Требуется обоснование наиболее эффективным способам возбуждения упругих волн и развитие представлений о механизме термоакустического и магнитоакустического преобразования в МЖ. Не разработана модель формирования МЖЗ в акустическом и магнитном полях, учитывающая особенности массопереноса коллоида, а также проявление магнитостатических неустойчивостей.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Тема диссертационной работы была связана с планами научно-исследовательских работ Физико-технического института и Института прикладной физики Национальной академии наук Беларуси в период 1976 -1997 г. и является обобщением результатов исследований автора, выполненных по следующим проектам: "Разработать и изготовить ма-
кеты электроакустических преобразователей на частоты 1 кГц - 1 МГц с использованием магнитных жидкостей" - по постановлению ГКНТ СССР N236 от 05.06.78 ; "Разработать методы и средства неразрушающего контроля качества прогрессивных технологических способов повышения износостойкости деталей машин"- по программе "Машиностроение" N per. 01890005619 от 16.05.88; "Исследование особенностей распространения боковых ультразвуковых волн в материалах со структурными неоднород-ностями" - по плану важнейших НИР в области естественных, технических и общественных наук РБ на 1996 - 2000 г., утвержденному постановлением Президиума АН Беларуси от 23.11.95; по проектам Фонда фундаментальных исследований РБ: "Устойчивость, диагностика и прогнозирование свойств магнитных жидкостей в капиллярных системах под воздействием мощных физических полей"- проект ТІ 7-298 от 28.02.94 и "Физические основы магнитожидкостной размероскопии и структуроскопии" - Т96-275 от 17.02.97.
Цель работы - разработка физических основ энергопереноса и формирования магнитожидкостных звукопроводов (МЖЗ) в магнитном и акустическом полях и создание на их основе высокопроизводительных устройств для неразрушающего контроля изделий.
Для выполнения цели потребовалось решить следующие задачи:
установить закономерности распространения упругих волн в магнитожидкостных звукопроводах и выявить особенности влияния концентрации дисперсной и несущей фазы, температуры (включая изменение фазового состояния вещества), магнитного поля на упругие свойства и механизмы диссипации акустической энергии;
выявить особенности возбуждения ультразвука в магнитных жидкостях бесконтактными способами и дать анализ механизмам термоакустического преобразования при импульсно-лазерном воздействии и магни-тоакустического преобразования - при наложении переменного магнитного поля;
изучить процессы переноса массы коллоида в магнитном поле, а также переходные процессы при создании акустического контакта и определить оптимальные условия их реализации;
дать теоретическое и экспериментальное обоснование формированию магнитожидкостных звукопроводов в акустическом и магнитном полях применительно к управлению потоками акустической энергии;
разработать методы и высокопроизводительные магнитожидкост-ные устройства для неразрушающего контроля и дать рекомендации по их применению в технической акустике и других областях.
Объектом исследования является магаитожидкостный звукопровод - материальная текучая среда (МЖ), формируемая магнитным полем
з.
и выполняющая следующие функции: а) передачу и изменение направления потока акустической энергии между источником упругих волн и объектом воздействия; б) преобразование энергии внешних полей в упругие волны и преобразование последних в другие формы энергии. Предмет исследования - комплекс взаимосвязанных акустических и гидродинамических явлений, а также процессов переноса тепла и массы в МЖЗ во внешних полях.
Методология и методы проведения исследований. В основу методологии исследований положен системно-структурный анализ, центральной процедурой его является построение модели объекта - МЖЗ. При этом используется принцип абстрагирования и идеализации и проводится качественный и сущностный анализ исследуемой системы, что позволяет упростить процесс познания объекта, исключив незначимые факторы. При выборе направления исследований и разработке концепции применения звукопроводов проведен теоретический синтез абстракций и использован метод восхождения от абстрактного к конкретному. При изучении механизма бесконтактного возбуждения звука в МЖ релаксационными процессами пренебрегаем - используется модель Розенцвейга; теоретический анализ гидродинамических явлений проводится в квазиравновесном приближении. Базовыми методами исследования акустических и упругих свойств, а также гидродинамических явлений служат ультразвуковые методы: импульсно-фазовый, интерферо-мегрический, метод отраженных импульсов и другие. Механизм термоакустического возбуждения звука в коллоидах изучается на базе метода оптоакустической спектроскопии. Компьютерное моделирование применено при изучении формирования МЖЗ.
Научная новизна п значимость полученных результатов.
1. Установлены закономерности изменения акустических и упругих
свойств магнитных жидкостей на органической и водной основе в диапа
зоне концентраций магнетика, близком к предельному, температурах,
включающих область изменения фазового состояния вещества; определе
на модель адиабатной сжимаемости (с "мягкой" стабилизирующей час
тицу магнетика оболочкой), дающая расхождение с данными расчета не
более 2 * 6 %, и выявлена роль нелокальных релаксационных механизмов
(тепловая, вязкая диффузия) и стоксовского поглощения в диссипации
энергии ультразвуковых волн в коллоидах с разными органическими ос
новами в частотном диапазоне 5 і 25 МГц.
2. Обнаружено смещение экстремумов адибатной сжимаемости
(скорости ультразвука) и температуры кристаллизации МЖ на водной ос
нове в область меньших температур с ростом концентрации магнетика и
сделан вывод о существенности процессов гидратации в этом явлении;
4 показано, что полученные для коллоидов на органической основе (преимущественно на трансформаторном масле) зависимости акустических и упругих свойств при отвердевании подобны установленным для сильновязких жидкостей, описьшаемых релаксационной дырочно-диффузионной моделью, и определяются преимущественно структурными процессами в дисперсионной среде.
-
Развиты представления о механизме бесконтактных и контактного способов возбуждения ультразвуковых волн: обнаружена пространственная неоднородность структуры подповерхностных слоев разбавленных магнитных жидкостей и показано, что зависимости передаточной функции термоакустического преобразования от концентрации магнетика при импульсно-лазерном воздействии имеют максимум; дана теоретическая трактовка указанным эффектам и оценено влияние магнитного поля на механизм термоакустического преобразования. Уточнена модель процесса магнитоакустического преобразования, обусловленного воздействием неоднородного магнитного поля на жидкость в объеме и скачком нормальной составляющей напряженности поля на границе объема, и предложены способы возбуждения упругих волн в твердых и жидких средах. Обнаружено повышение эрозионной активности акустической кавитации в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле и дан анализ механизмов этого эффекта.
-
Усовершенствована физическая модель переноса массы при движении магнитожидкостных звукопроводов, учитывающая формообразование мениска магнитным полем, наличие "буферной" жидкости, макросі микро-геометрию поверхности контакта, а также предложены способы, оптимизирующие расход коллоида и переходные процессы при создании акустического контакта.
-
Развита теория эволюции равновесных объемов жидких сред во внешних полях: определены критические параметры устойчивости фазовых портретов объемов магнитных жидкостей и выявлены особенности изменения топологии системы над намагничивающимся объектом разной кривизны при воздействии акустического и магнитного поля; впервые обнаружено понижение порога рэлеевской устойчивости поверхности жидкости, а также выявлены условия управления ею путем акустического воздействия; получены соотношения, необходимые для поддержания зву-копрозрачности магнитной жидкости в щелевых зазорах, имеющих форму полосы или диска.
Практическая значимость полученных результатов. Разработаны физические основы и концепция применения МЖЗ для управления потоками акустической энергии применительно к решению широкого класса задач в технической акустике и смежных с ней областях.
5 Созданы высокопроизводительные магнитожидкостные устройства для неразрушающего контроля объектов подвижного состава железнодорожного транспорта и сварочного производства, авиационной техники, для уровнеметрии, защищенные 23 авторскими свидетельствами на изобретение и внедренные в депо и на вагоноремонтных предприятиях в Минске, Барановичах, Стрые, Рославле , Даугавпилсе, а также на инструментальном производстве (ОИЗ г. Орша), п/я А-1278, на авиационных предприятиях в Минске и в/ч 36986 для контроля дисков турбин авиационных двигателей и других, где применение разработанных устройств с МЖЗ позволило повысить надежность и производительность контроля от нескольких до десятков раз, существенно уменьшить затраты на черновую обработку поверхности объектов. Изложенные в работе методы и технические решения по обеспечению качества продукции объектов транспорта, авиации, машиностроения и других, позволяющие предотвращать брак как при производстве изделий, так и в процессе эксплуатации, использовались и могут быть использованы в качестве коммерческого продукта на предприятиях Беларуси и за рубежом. В результе внедренческой деятельности получено 14 актов о внедрении, две справки о внедрении изобретений сторонними организациями, разработана методика контроля вагонных осей, утвержденная ВНИИ железнодорожного транспорта, г. Москва. Основпые положения, выносимые на защиту. 1. Закономерности изменения акустических и упругих свойств магнитных жидкостей на органической и водной основе в диапазоне концентраций магнетика, близком к предельному, температурах, включающих область изменения фазового состояния вещества, и установление температурного диапазона применения магнитожидкостных звукопроводов; определение модели адиабатной сжимаемости (с "мягкой" стабилизирующей частицу магнетика оболочкой), дающей расхождение с расчетными данными не более 2 г 6 %,и вьмвление роли нелокальных релаксационных механизмов (тепловая и вязкая диффузия) и стоксовского поглощения в диссипации энергии ультразвуковых волн в магнитных жидкостях с разными основами в частотном диапазоне 5 f 25 МГц.
2. Обнаруженный сдвиг экстремумов адиабатной сжимаемости (скорости ультразвука) и температуры фазового перехода первого рода магнитных жидкостей на водной основе в область меньших температур с ростом концентрации магнетика и вывод о существенной роли процессов гидратации в этом явлении; вывод о том, что полученные для коллоидов на органической основе (преимущественно на трансформаторном масле) зависимости акустических и упругих свойств от температуры при стекловании и отвердевании подобны установленным для сильновязких жидкостей, описываемых релаксационной дырочно-диффузионной моделью,
и определяются преимущественно структурными процессами в дисперсионной основе.
-
Развитие представлений о механизмах возбуждения упругих волн в магнитных жидкостях внешними полями: установленные зависимости передаточной функции термоакустического преобразования при им-пульсно-лазерном воздействии от концентрации магнетика в коллоиде, имеющие максимум, обусловленный измением теплофизических и акустических свойств жидкости при варьировании ее состава, и определение оптимального состава жидкости для практического применения; обнаруженная структурная неоднородность подповерхностных слоев разбавленных коллоидов, трактовка явления и оценка влияния поля на термоакустический механизм преобразования. Впервые экспериментально установленные амплитудно-частотные характеристики магнитожидкостных резонаторов на частотах 16 426,7 кГц и уточнение модели процесса маг-нитоакустического преобразования, обусловленного воздействием неоднородного магнитного поля на жидкость в объеме и скачком нормальной составляющей напряженности поля на границе объема; предложенные способы возбуждения упругих волн в твердых и жидких средах.
-
Усовершенствование физической модели переноса массы при движении магнитожидкостного звукопровода, учитывающей формообразование мениска в магнитном поле, макро- и микрогеометрию поверхности объекта и ее смачивание "буферной" жидкостью, и предложенные способы оптимизации расхода коллоида. Обоснование предложенного способа гидродинамического шунтирования, позволяющего в 5 и более раз снизить время переходного процесса при создании акустического контакта.
-
Развитие теории эволюции границы раздела намагничивающихся жидкостей в магнитном и акустическом поле над намагничивающейся подложкой: полученные фазовые портреты и критические параметры устойчивости равновесных форм жидкости и выявленные особенности развития их топологии в зависимости от магнитной проницаемости и кривизны подложки, геометрии источника поля. Установленные возможности управления рэлеевской неустойчивостью поверхности магнитной жидкости при акустическом воздействии и соотношения, необходимые для поддержания постоянства звукопрозрачности контактных слоев жидкости. Способы создания акустического контакта и изменения направленности упругих волн.
-
Обнаруженные эффекты интенсифицирующего действия неоднородного магнитного поля: повышения эрозионной активности акустической кавитации (2 f 3 раза) и ускоренное заполнение капиллярных систем магнитной жидкостью при акустическом воздействии.
7 7. Концепция применения магнитных жидкостей для передачи и
управления потоками акустической энергии и разработанные способы и высокопроизводительные устройства для неразрушающего контроля, ультразвковой технологии и других областей, защищенные 23 авторскими свидетельствами на изобретение.
Личный вклад соискателя
Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично (без соавторов опубликовано 6 научных работ) или в соавторстве. Автором лично поставлена задача исследований, предложены способы управления потоками акустической энергии и дано теоретическое обоснование проблеме энергопереноса и формирования МЖЗ в акустическом и магнитном полях, а также разработано большинство экспериментальных методик. С соавторами, в основном, разработаны и внедрены устройства и выполнены исследования импульсно-лазерного возбуждения ультразвука в МЖ, рассчитаны численно параметры пленочного течения и равновесные формы жидкостей, экспериментально исследованы их потери.
Апробация работы
Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по неразрушающе-му контролю в Минске (1981), Ленинграде (1983,1993), Свердловске (1990), совещаниях и конференциях по магнитной гидродинамике и физике магнитных жидкостей в Риге, (1979, 1987 ,1989г.), Плесе (1981,1985,1987,1990 г.), Перми (1990 г), Донецке(1985 г.), на семинарах во Всесоюзном НИИ по неразрушающему контролю (Кишенев, 1983), Институте сварки им Е. О. Патона АН УСССР (Киев 1993 г.), Ленинградском Государственном Университете (1992 г.), з Институте экспериментальной физики Словацкой академии наук (1996 г.), на Международных конференциях по методам неразрушающего контроля в Болгарии (1989 г.), Чехии (1995), Минске (1995 г.), Греции (1995 г.), Индии (1996 г.), на Акустическом конгрессе в Польше (1995 г.), Международных форумах и конференциям по акустике (Бельгия 1996 г.), по магнитной гидродинамике (Рига, 1990 г.) и магнитным жидкостям (Плес, 1996 г., 1998 г., Тимашара, Румыния, 1988 г.), на Международном семинаре "Керамика 96" (Бела-Вежа, Польша, 1996 г.). Материалы диссертации были положены в основу одного из курсов занятий Всеевропейской школы-семинара по магнитным жидкостям (Минск, 1991 г.). Опубликованность результатов
Основное содержание работы опубликовано в 76 научных работах на 224 п. ч., в том числе 1 монографии, 1 брошюре, 17 статьях в научных журналах, 4 статьях в сборниках АН СССР, АН БССР и других, 8
8 статьях в сборниках докладов международных конференций, в 23 тезисах международных и всесоюзных конференций, 23 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, общей характеристики работы, 6 глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации составляет 360 страниц. Из них текстовая часть 219 страниц, 93 иллюстрации и 3 таблицы на 80 страницах, 43 страницы приложений и 18 страниц списка использованных источников из 253 наименований.