Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование конвективного теплообмена в магнитных жидкостях (МЖ) имеет актуальное прикладное значение в связи с их расширяющимся применением в различных технических устройствах, таких как магнитожидкостные уплотнители, системы охлаждения и преобразования энергии и так далее. Особо важное значение термомагнитный механизм конвекции приобретает в невесомости, где отсутствуют обычные силы плавучести. Детальнее изучение этого механизма способствует развитию методов управлегия течениями и теплопереносом в космических и наземных аппаратам. Силы поляризации, возникающие в неравномерно нагретой магнита:й жидкости, представляют интерес и с точки зрения фундаментальной науки как проявление одного из видов взаимодействия электромагнитного поля и среды.
Целью данной диссертации является исследование конвекции в ферроколлоиде, помещенном во внешнее однородное магнитное поле. Изучение проводится на примере классических задач для нсизотермических горизонтального и вертикального слоев.
Научная новизна работы состоит в установлении и изучении ряда ранее неизвестных свойств конвективной неустойчивости и надкритических течений в плоском слое магнитной жидкости, помещенном в однородное магнитное поле.
Научно-практическая ценность работы:
- усовершенствован традиционный метод Шмидта-Милвертона по
определению теплопередачи через слой МЖ применительно к
экспериментам по термоконвекции в однородных магнитных полях;
развит метод визуализации конвективных структур в непрозрачных МЖ
с помощью жидкокристаллического термоиндикатора;
- данные о взаимодействии термогидродинамической и термомагнитной
- 4 -мод неустойчивости в МЖ представляют интерес с точки зрения магнитной гидродинамики как предельный случай непроводящих жидкостей;
результаты экспериментального исследования конвективной неустойчивости и надкритических волновых движений в продольном магнитаом поле и в его отсутствие представляют общетеоретический интерес, поскольку способствуют построению адекватной модели термомагяитной конвекции; дополняют представления о влиянии на конвекцию осложняющих факторов и интересны с точки зрения нелинейной теории гидродинамической устойчивости. Зарегистрированные в работе дефекты конвективных структур относятся к области исследований, привлекающих в последнее время пристальное вниманиеJ
- экспериментально обнаруженные в работе эффекты стабилизации и дестабилизации равновесия подогреваемого снизу слоя ферроколлоида в однородном поперечном магнитном поле в зависимости от значений намагниченности насыщения МЖ и напряженности внешнего магнитного поля позволяют управлять теплообменом в различных устройствах. Следует особо отметить, что термомагнитный механизм конвекции позволяет добиться четырех-пятикратного усиления теплопереноса,
ЧТО ПОЗВОЛЯеТ ЭффеКТИВНО ИСПОЛЬЗОВаТЬ Данное СВОЙСТВО Не ГилЬКО Е
земных условиях, но и в невесомости.
Материалы диссертации вошли в программу спецкурсов "Конвекция' и "Гидродинамика невесомости", читаемых на IV,V курсах физического факультета Пермского государственного университета.
Работа выполнялась в рамках разрабатываемых кафедрой обще! физики Пермского университета тем "Конвекция и теплообмен і ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическуі устойчивость"( N ГР0І86008І295 ) и "Гидродинамика поляризующихся
- 5 -жидкостей и гетерогенных систем". Исследования являются также составной частью Международного научно-технического проекта "Конвективные явления и процессы тепло-массопереноса в условиях невесомости и микрогравитации" и программы "Университеты России" (направление II, "Шравновесные процессы в макроскопических системах").
Апробация работы. Основные результаты исследований
докладывались на Первом Всесоюзном семинаре-совещании по электрогидродинамике жидких диэлектриков (Ленинград, 1989г.), аа Республиканской конференции "Численные методы моделирования технологических процессов" (Рига, 1989г.), на Четвертой Всесоюзной школе молодых ученых "Современные пробліми теплофизики" (Новосибирск, 1990г.), на Пятом Всесоюзном совещании по физике магнитных кидкостей (Пермь, 1990г.), на Шестой Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям (Москва, 1991г.), на Международном симпозиуме "Гидромеханика и тепло- массообмен в невесомости" (Пермь - Москва, 1991г.), на Восьмой Международиой школе-семинаре "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (Москва, 1992г.), на научной сессии Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН "Задачи механики в условиях микрогравитации" (Москва, 1993г.), на Международной конференции "Негравитационные механизмы конвекции и тьмию-массообмена" (Звенигород, 1994г.), на Десятой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995г.), на Пермском городском гидродинамическом семинаре под руководством профессора Г.З.Гершуни.
Автором представляются к защите;
результаты экспериментального исследования конвекткзной неустойчивости равновесия и структур надкритических движения в подогреваемом снизу горизонтальном слое ферроколлоида в
- 6 -отсутствие магнитного поля;
результаты экспериментального исследования конвективной неустойчивости и тешюпереноса в горизонтальном слое неравномерно нагретых МЖ различных концентраций во внешнем однородном поперечном и продольном магнитных полях;
обнаруженные экспериментально особенности колебательной неустойчивости механического равновесия, а также надкритических волновых движений в подогреваемом снизу горизонтальном слое МЖ при наличии продольного магнитного поля;
- результаты экспериментального исследования термомагнитном леустойчивости плоскопараллельного гравитационно-конвиктивного течения MS в вертикальном слое под действием поперечного магнитного поля.
Объем и структура работы.
Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы (130 наименований). Общий объем диссертации 125 страниц, включая 37 рисунков.