Введение к работе
Актуальность проблемы. Жидкие намагничивающиеся среды, представляющие собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему, были синтезированы в 60-х годах прошлого века, и в настоящее время широко известны как магнитные жидкости (МЖ). Дисперсионной средой в МЖ является, как правило, керосин, толуол, кремнийорганические масла или вода. В качестве дисперсной фазы может выступать железо, кобальт, никель, магнетит и т.д. Особенностью МЖ является их уникальная способность сочетать высокую намагниченность в магнитных полях при сохранении ими текучести. За более чем полувековую историю изучения магнитных жидкостей были достаточно хорошо исследованы их магнитные, электрические, оптические и теплофизические свойства. Однако влияние магнитных полей на теплообмен при кипении МЖ остается малоизученной областью теплофизики кипения жидких намагничивающихся нанодисперсных сред. Между тем, особый интерес представляет исследование теплообмена при стационарном кипении МЖ. Это связано с перспективой применения их в качестве управляемой при помощи магнитного поля закалочной среды, а также с возможным применением в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и тепловых устройствах. Таким образом, изучение теплообмена при кипении магнитной жидкости, а также физических процессов, определяющих его интенсивность, в настоящее время является актуальным и представляет общенаучный и прикладной интерес.
Степень разработанности темы диссертации.
В литературе встречается небольшое число работ посвященных проблемам теплообмена при кипении намагничивающихся жидкостей. Причем большая часть работ в области теплофизики кипения магнитных жидкостей посвящена охлаждению и закалке тел, вопросы же стационарного кипения являются практически не исследованными. Так остаются открытыми вопросы влияния магнитных полей на частоту образования, скорость роста пузырьков пара, плотность центров парообразования и т.д.
В настоящее время не существует аналитической теории теплообмена при кипении даже обычных жидкостей. При описании процесса кипения МЖ ситуация усложняется тем, что помимо общих для всех жидкостей факторов, влияющих на теплообмен, необходимо учитывать эффекты связанные с действием магнитного поля.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование влияния однородного постоянного магнитного поля на процесс теплообмена при стационарном кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- Разработать и создать автоматизированную установку для измерения тепловых потоков при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.
Экспериментально и теоретически исследовать влияние внешнего однородного постоянного магнитного поля на тепловой поток при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности.
Разработать методику измерения частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на горизонтальной поверхности и экспериментально изучить влияние внешнего однородного постоянного магнитного поля на частоту образования пузырьков пара.
Экспериментально изучить влияние концентрации магнитной фазы на процесс теплообмена и частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла.
Провести экспериментальное моделирование процесса роста и отрыва пузырька пара во внешнем однородном постоянном магнитном поле. Получить теоретическую зависимость формы и объема пузырька пара от величины напряженности внешнего однородного постоянного магнитного поля.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
Впервые экспериментально изучено влияние однородного постоянного магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности. Обнаружено, что магнитное поле приводит к более чем полуторакратному увеличению удельного теплового потока к магнитной жидкости.
Получено уравнение, описывающее влияние магнитного поля на процесс теплообмена при кипении магнитной жидкости, учитывающее силовые факторы, действующие на пузырек пара в магнитном поле.
Впервые разработана экспериментальная установка и предложена методика с использованием двухслойной среды для измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей.
Впервые экспериментально найдена зависимость частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности от температуры стенки нагревателя и от напряженности однородного магнитного поля. Показано, что магнитное поле приводит к более чем двукратному уменьшению частоты образования пузырьков пара.
Впервые экспериментально исследовано влияние однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении двухслойной среды магнитная-немагнитная жидкость. Найдено, что интенсивность влияния магнитного поля на теплообмен в двухслойной среде, в 1,5-2 раза меньше, чем при кипении однослойной магнитной среды.
Впервые осуществлено экспериментальное и теоретическое моделирование влияния однородного магнитного поля на форму, объем и частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости. В результате чего подтверждена справедливость предложенной физической модели влияния магнитного поля на интенсивность теплообмена при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности.
Теоретическая и практическая ценность диссертации заключается в развитии физических представлений о воздействии магнитных полей на процессы тепло- и массопереноса в жидких намагничивающихся средах и получении данных, подтверждающих эффективность использования МЖ в технологии управляемого закалочного охлаждения, а также при проектировании и создании теплообменных устройств с магнитной жидкостью в качестве теплоносителя.
Настоящая диссертационная работа, выполненная в 2009-2012 годах, была поддержана грантом РФФИ Института механики МГУ №11-01-00051-а.
Методология и методы исследования.
В работе использованы как экспериментальные, так и математические методы и подходы. В том числе оптические, электромагнитные, тепловые методы, а также методы прикладной математики и информатики. Кроме того, в работе предложен и реализован метод двухслойной среды для измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных сред.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
Результаты экспериментов по изучению влияния внешнего однородного постоянного магнитного поля на теплообменные процессы при кипении магнитной жидкости на горизонтальной неограниченной поверхности с точечным подводом тепла, показавшие значительное влияние величины напряженности внешнего магнитного поля на изменение удельных тепловых потоков.
Методика измерения частоты образования пузырьков пара при кипении непрозрачных жидкостей.
Результаты экспериментов по изучению влияния внешнего однородного постоянного магнитного поля на частоту отрыва пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла, обнаружившие зависимость частоты образования пузырьков пара и температуры начала образования пузырьков пара от величины напряженности и направления внешнего магнитного поля, а также от концентрации магнитной фазы в жидкости.
Результаты теоретического анализа влияния однородного постоянного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной горизонтальной поверхности с точечным подводом тепла и полученное в результате анализа выражение для удельного теплового потока, учитывающее пондеромоторные силы, действующие на пузырек пара, и показавшее, что влияние магнитного поля на температуру кипения существенно сказывается на тепловом потоке.
Результаты экспериментального и теоретического моделирования процесса роста и отрыва пузырька пара во внешнем однородном постоянном магнитном поле при кипении магнитной жидкости, позволившие установить зависимость формы и объема пузырька пара от напряженности и направления внешнего однородного магнитного поля.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют формуле специальности
01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника», включающей теоретические и экспериментальные исследования свойств веществ в жидком, твердом и газообразном состоянии при наличии всех видов тепло- и массообмена во всем диапазоне температур и давлений, магнитную гидродинамику электропроводных сред и т.д. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1 и 2 областей исследований паспорта специальности 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника» для физико-математических наук.
Достоверность полученных результатов подтверждается проведением измерений с помощью стандартных приборов и оборудования; статистической обработкой результатов многочисленных экспериментов и анализом погрешностей измерений; использованием в теоретическом анализе известных из теории кипения обычных жидкостей положений, качественным совпадением результатов проведенных экспериментов и предложенных для их описания математических зависимостей, непротиворечивостью результатов работы и основных положений теплофизики кипения.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на кафедрах теоретической и общей физики Северо-Кавказского федерального университета в 2009-2012 годах, а также были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и форумах: Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (Волгоград 2010 г.), X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011 г.), Международный симпозиум по магнетизму MISM 2011 (г. Москва 2011г.), X Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), 15-я Международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям (г. Плес, 2012 г.), Российская конференция по магнитной гидродинамике (г. Пермь, 2012 г.), III и IV Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (г. Ставрополь, 2011 и 2013 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ. В том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 16 работ в сборниках и трудах Международных и Всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 120 наименований. Общий объем диссертации 149 страниц, содержащих 47 рисунков и 1 таблицу.
