Введение к работе
Актуальность темы. Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой стабилизированные коллоидные дисперсии ферромагнетиков в жидкости-носителе. Вследствие того, что магнитный момент однодоменных ферромагнитных частиц (размер около 10 нм) примерно в 105 раз больше, чем у ионов переходных и редкоземельных металлов, растворы солей которых обладают наиболее сильными магнитными свойствами, магнитная восприимчивость МЖ во столько же раз больше. Ранее в магнитной гидродинамике ввиду малости эффектов, связанных с намагничиванием среды, рассматривались только явления, обусловленные взаимодействием токов проводимости с магнитным полем. В этом отношении феррогидродинамика магнитной жидкости представляет собой противоположный безындукционному приближению традиционной магнитной гидродинамики случай. В МЖ на первый план выступают движущие пондеромоторные силы, возникающие вследствие неоднородности намагниченности среды, и «тормозящие» силы, являющимися следствием деформаций магнитного поля, индуцируемых течением жидкости.
Получение стабильных магнитных коллоидов выдвинуло ряд новых фундаментальных проблем по воздействию магнитного поля на свойства и структуру коллоидных дисперсий ферромагнетиков и привело к многообразным приложениям в приборостроении, медицине, биотехнологии. МЖ применяются в датчиках ускорений, горизонтального положения, давления, вибраций. Пондеромоторные силы, возникающие в ферроколлоиде в магнитном поле, используются в сепараторах, акустических устройствах, демпферах, магнитоприводах, термомагнитных преобразователях энергии. Возможность локализации МЖ магнитным полем применяется в узлах уплотнения и смазки, средствах герметизации, амортизации, в магнитотермии.
Специфика тепло физических явлений в магнитных наносу спензиях определяется зависимостью их намагниченности от температуры, концентрации частиц и приложенного магнитного поля. Магнитная конвекция в МЖ может возникать как при наличии температурной, так и концентрационной неоднородности маг-
нитного коллоида. Механизм термомагнитной конвекции состоит в том, что менее нагретая жидкость втягивается в область большего магнитного поля, выталкивая более нагретую жидкость. В концентрационно-магнитной конвекции МЖ движение индуцируется неоднородностями намагниченности, возникающими вследствие термо- и магнитофореза, а также гравитационной седиментации магнитных частиц и их агрегатов.
Настоящая работа, в которой изложены экспериментальные результаты за 1989-2011 гг., посвящена постановке и решению задач по конвекции магнитных жидкостей. Проведенные исследования позволяют расширить понимание и сформировать общие фундаментальные закономерности тепло- и массопереноса в магнитополяризующихся средах и коллоидах, а также в термогидродинамических системах при взаимодействии гидродинамических, тепловых, концентрационных и магнитных полей.
Таким образом, исследование конвекции магнитных жидкостей является актуальным и требует рассмотрения ряда физических явлений. Опыт, накопленный при изучении термомагнитного механизма конвекции в МЖ, может быть применен для управления теплопереносом в различных диа- и парамагнитных средах, в том числе, при выращивании кристаллов из белковых растворов и парамагнитных расплавов. Особую важность термомагнитная конвекция приобретает в условиях, когда свободная гравитационная конвекция затруднена или невозможна, например, в теплообменных устройствах в невесомости и в микроэлектронике. Установление закономерностей тепло- и массопереноса в конвекции магнитных нано-суспензий в отсутствие магнитного поля может быть использовано в устройствах с различными наножидкостными теплоносителями.
Цель работы - экспериментальное исследование свободной конвекции в неизотермических магнитных жидкостях в гравитационном и магнитном полях. Научная новизна. В работе проведены эксперименты по реализации и исследованию термогравитационной и термомагнитной конвекции, волновых режимов и теплопереноса в магнитных жидкостях с разными концентрациями магнитной фа-
зы и различными жидкостями-носителями в широком диапазоне управляющих параметров.
1. Изучены устойчивость механического равновесия, теплоперенос, надкритические режимы и пространственно-временная эволюция течений при тепловой гравитационной конвекции магнитных коллоидов.
-
Обнаружено, что в конвекции магнитных коллоидов важную роль играют градиенты концентрации, создаваемые гравитационной седиментацией и термодиффузией частиц и их агрегатов. Вследствие взаимодействия этих концентрационных градиентов с термическим градиентом плотности, конвекция в подогреваемых снизу магнитных коллоидах, в отличие от однокомпонентных жидкостей, имеет нерегулярный волновой характер.
-
Обнаружено, что колебательный характер конвекции в горизонтальном подогреваемом снизу слое МЖ имеет две причины: поперечно-валиковую неустойчивость каждого из конвективных валов и медленное перемещение всей системы валов. Обнаружены спонтанно возникающие спиральные и мишенеобразные домены, образованные конвективными валиками и ячейками; при скачкообразном увеличении нагрева возникали спиральные валы, охватывающие всю полость.
-
Впервые исследована гравитационная конвекция МЖ при воздействии подъемно-опускного течения в наклонном слое, подогреваемом со стороны нижней широкой границы. При небольших углах наклона слоя к горизонтали сохраняются структуры течений в виде произвольно ориентированных и спиральных конвективных валов, подверженные поперечно-валиковой неустойчивости. При увеличении угла наклона все валы выстраиваются вдоль базового потока. Обнаружены состояния с квазипериодическим затуханием рэлеевской составляющей конвекции во всём слое. Зарегистрировано волновое движение конвективных валов, сопровождающееся появлением и аннигиляцией дислокаций.
-
Впервые изучена конвекция МЖ в шаровой полости, подогреваемой снизу. Показано, что первой моде неустойчивости соответствует вихрь с осью, вращающейся в плоскости экватора. Обнаружены режимы течений, в которых при неизменных условиях подогрева квазигармонические и релаксационные ко-
лебания, сопровождающиеся сменой направления вращения конвективного вала, чередуются с квазистационарными движениями и переходами от развитой конвекции к неподвижному состоянию и обратно.
2. Исследована термомагнитная конвекция в магнитных жидкостях. Разработаны методы изучения конвективных течений и тепловых потоков в магнитном поле. Получены обобщающие результаты по действию постоянного во времени и однородного в пространстве внешнего магнитного поля на устойчивость механического равновесия и конвективных движений, а также теплоперенос в МЖ. Описано воздействие гравитационной седиментации, термо- и магнитодиффузии, магнитовязкого эффекта.
-
Исследована конвекция в неизотермическом горизонтальном слое МЖ в поперечном магнитном поле. Определены условия дестабилизации и, напротив, повышения устойчивости механического равновесия в зависимости от значений контролирующих параметров.
-
Обнаружена термомагнитная мода неустойчивости подъемно-опускного течения в вертикальном слое МЖ, подогреваемом со стороны широкой боковой границы, в поперечном магнитном поле. Зарегистрированы стационарные вертикальные термомагнитные конвективные валы, выстроенные вдоль основного потока, а также суперпозиция стационарных вертикальных и бегущих наклонных валов. Наблюдаемая скорость движения термомагнитных валов по порядку величины совпадает со скоростью теоретически предсказанного нового типа волн -термомагнитных волн.
-
Исследован теплоперенос в МЖ в поперечном магнитном поле при различных направлениях обогрева в широком диапазоне управляющих параметров. Обнаружено, что при помощи термомагнитного механизма конвекции можно достичь 4-кратного увеличения теплообмена в слое МЖ.
-
Экспериментально показано, что продольное магнитное поле не влияет на порог конвективной неустойчивости МЖ в горизонтальном подогреваемом снизу слое. В слабых магнитных полях и при небольших перепадах температур, в отличие от линейной теории, вырождение по направлениям валов не снимается, и
сохраняются изогнутые и спиральные рэлеевские валики. При увеличении величин контролирующих параметров термоконвективные валы выстраиваются вдоль вектора напряженности магнитного поля. Зарегистрированы волновые режимы, в которых области с рэлеевской конвекцией хаотически чередовались с областями теплопроводного состояния.
-
Обнаружено явление подавления рэлеевских течений в наклонном слое МЖ, подогреваемом со стороны нижней широкой границы, горизонтальным продольным магнитным полем. Показано, что при малых напряженностях магнитного поля преобладает гидродинамический механизм ориентации, и конвективные валики располагаются вдоль базового подъемно-опускного потока; в сильных магнитных полях побеждает термомагнитный механизм ориентации: валы выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Когда вклад обоих механизмов ориентации одинаковый наблюдаются волновые структуры в виде наклонных валиков, ячеек и термиков. Обнаружены уединенные бегущие вихри.
-
Впервые исследовано действие магнитного поля на конвекцию МЖ в шаровой полости. Описаны ситуации, когда магнитное поле создает или, напротив, подавляет конвекцию.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современных способов измерения и обработки данных, детальной проработкой используемых методов, подробным анализом погрешностей и воспроизводимостью опытных данных. В задачах, для которых имеются теоретические расчеты, наблюдается их согласие с экспериментами автора. Кроме того, результаты согласуются с исследованиями других авторов в случаях, когда такие эксперименты проводились.
Практическая ценность. В диссертации получены систематические экспериментальные результаты, имеющие фундаментальное значение для понимания закономерностей конвекции и теплопереноса в магнитополяризующихся средах и наножидкостях. Данные работы могут быть использованы для управления при помощи магнитных полей конвекцией в технологических процессах и устройствах. Наземное моделирование негравитационной термомагнитной конвекции служит основой для подготовки космических экспериментов в невесомости.
Работа проводилась по программе «Университеты России» (1992), Межвузовской программе (1992), проектам Минобразования РФ (1992, 1994, 1996, 2000), Миннауки РФ (1995); по грантам Российского фонда фундаментальных исследований 00-01-00450, 01-02-96479-р2001урал, 04-01-00586, 04-02-96038-р2004урал, 07-08-96039-р_урал; государственной поддержки ведущих научных школ 96-15-96084, 00-15-00112, 00-15-96112, НШ-1981.2003.14; Международного научного фонда РЕ-009 CRDF (2002-2010), Финской академии наук № 110852 (2006-2008).
Материалы диссертации вошли в лекции и лабораторные практикумы "Тепловая конвекция", "Конвекция жидкостей с особыми свойствами", "Гидромеханика невесомости" для студентов физического факультета Пермского государственного университета.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
По магнитным жидкостям: V Всесоюзное совещание по физике магнитных жидкостей, Пермь, 1990; International Plyos Conference on Magnetic Fluids, Plyos, Russia, 1991, 1996, 1998, 2006; International Workshop on Recent Advances in Nanotech-nology of Magnetic Fluids, New Delhi, India, 2003; 9th International Conference on Electrorheologocal Fluids and Magneto-rheological Suspensions, Beijing, China, 2004; 88th International Bunsen-Discussion Meeting, Saarbrucken, Germany, 2005; 7th, 8th, 10th, 11th International Conference on Magnetic Fluids - 1995 (Bhavnagar, India), 1998 (Timisoara, Romania), 2004 (Guaruja, Brazil), 2007 (Kosice, Slovakia), 2010 (Sendai, Japan).
По магнитной гидродинамике и магнетизму: 4-7ш International PAMIR Conference on Fundamental and Applied MHD, 2000 (Gians, France), 2002 (Ramatuelle, France), 2005 (Riga, Latvia), 2008 (Gians, France); Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, Russia, 2005, 2008; III Joint European Magnetic Symposia, San Sebastian, Spain, 2006; First International Seminar on Fluid Dynamics and Material Processing, Algiers, Algeria, 2007.
По гидродинамической устойчивости, теплообмену и механике: XII Юбилейная конференция молодых ученых Института машиноведения "Актуальные проблемы
машиноведения", Москва, 1989; III Всесоюзная конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", 1989; Всесоюзное семинар-совещание по электрогидродинамике жидких диэлектриков, Ленинград, 1989; Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики", Новосибирск, 1990; Всесоюзная конференция молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1991; 1st International Symposium on Physical Problems of Ecology, Izhevsk, Russia, 1992; Российская Национальная Конференция по Теплообмену, Москва, 1994, 1998; Международные и Всероссийские зимние школы по механике сплошных сред, Пермь, 1995-2011; Международная школа "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность", Москва, 1996-2010; 2nd International Conference on Flow interaction "Science and Art", Berlin, Germany, 1997; Международная конференция по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей, Новосибирск, 1998, 2000; XXVII International Workshop on Nonlinear Oscillations in Mechanical Systems, St. Petersburg, Russia, 1999; International Summer School "Advanced Problems in Mechanics", St. Petersburg, Russia, 1999, 2002, 2008; Международная школа-семинар "Применение симметрии и косимметрии в теории бифуркаций и фазовых переходов", 2001, Сочи; Международная конференция «Рост монокристаллов и теплоперенос», Обнинск, 2001, 2005; Международная зимняя школа физиков-теоретиков "Коуровка-2002"; International Conference on Advanced Problems in Thermal Convection, Perm, Russia, 2003; XII научная конференция "Нелинейные волны-2004", Нижний Новгород, 2004; Международная конференция "Математическая гидродинамика: модели и методы", Ростов-на-Дону, 2004; Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006; 21st, 22nd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics - 2004 (Warsaw, Poland), 2008 (Adelaide, Australia); 7th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Krakow, Poland, 2009; 2nd, 4th International Symposium on Bifurcation and Instabilities in Fluid Dynamics - 2006 (Copenhagen, Denmark), 2011 (Barcelona, Spain).
По космическим исследованиям: International Symposium on Hydrodynamics and Heat/Mass Transfer in Microgravity, Perm-Moscow, 1991; Vlllth European Symposium on Materials and Fluid Science in Microgravity, Brussels, 1992; International Workshop "Non-Gravitational Mechanisms of Convection and Heat/Mass Transfer", Zvenigorod, 1994; Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Petersburg, Russia, 1997; VII Российский симпозиум «Механика невесомости. Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем», Москва, 2000; 36th Committee on Space Research (COSPAR) Scientific Assembly. Beijing, Chine, 2006; International Conference "Science on European Soyuz Missions to the International Space Station", Toledo, Spain, 2006; International Congress "Experiments in Space and Beyond", Brussels, Belgium, 2007; Российский симпозиум "Космическое материаловедение", 2007, Калуга; International conference of European Low Gravity Research Association, Florence, Italy, 2007.
На Пермском гидродинамическом семинаре, 1995, 2011; на семинаре Lap-peenranta University of Technology (Lappeenranta, Finland), 2007; на секции "Космическое материаловедение" Координационного научно-технического совета Федерального космического агентства, 2010. На защиту выносятся результаты экспериментального исследования:
волновых режимов, обнаруженных в свободной термогравитационной и термомагнитной конвекции в магнитных коллоидах;
влияния однородного магнитного поля на устойчивость механического равновесия, конвективные течения и теплоперенос в магнитной жидкости.
Личный вклад автора в статьях [1-3, 6, 11, 12, 18] состоит в разработке методики, проведении экспериментов и обобщении результатов; в публикациях [21, 24, 26, 33, 34] автору, кроме того, принадлежит постановка задачи. В совместных исследованиях [4, 5, 9, 10, 27-42] с зарубежными и отечественными коллегами, осуществлявшими аналитические и численные расчеты, автору принадлежат постановка задачи, проведение и анализ экспериментов. В экспериментальных иссле-
дованиях [7, 8, 13-20, 23, 25, 28, 29, 42] под руководством автора принимали участие студенты.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, заключения и содержит 289 страниц текста, 153 рисунка и список литературы, включающий основные публикации автора по теме диссертации (82 наименования, в том числе, 11 статей из списка ВАК, 34 публикации в журналах, университетских сборниках и трудах конференций, 37 тезисов конференций) и цитированную литературу (183 наименования).
