Введение к работе
Актуальность проблемы. Магнитная жидкость - это новый магнитный материал. Современные магнитные жидкости получены методами физической химии в виде коллоидных растворов магнитных частиц однодоменного размера, обладающих постоянным магнитным моментом. В последние годы возрос интерес к практическому использованию коллоидных магнитных жидкостей, что связано с их магнитоуправляемостью, и, помимо этого, наличием всех свойств обычных жидкостей. Уникальные свойства магнитньк жидкостей позволяют создавать современные новые и оригинальные технологии и устройства с неожиданными конструктивными решениями. Магнитные жидкости нашли широкое применение в различных отраслях медицины, науки и техники. До 80-х годов теплообмен при кипении магнитных жидкостей был одним из наименее изученных направлений в теплофизике магнитных жидкостей. В эти годы был поднят вопрос о применении магнитных жидкостей в качестве охлаждающих сред для оптимизации высокотемпературных технологических процессов, таких, например, как закалка стали.
Настоящая работа направлена на разработку теплофизических основ новых -методов эффективного управления термической обработкой изделий шарообразной формы. В этом и состоит актуальность исследований, приведенных в работе.
Настоящая диссертация выполнялась в Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии в 1993-2000 годах в соответствие с планом научно-исследовательских работ академии. В течении ряда лет работа поддерживалась грантами РФФИ №94-01-00402а, №96-01-01747, №99-01-01057.
Цель работы - изучить влияние магнитного поля на процессы охлаждения намагничивающихся шаров различного диаметра в магнитных жидкостях различного состава от различных начальных температур нагрева шаров.
Для этого были поставлены следующие основные задачи:
изучить влияние состава магнитных жидкостей на характер распределения осадка расслоившейся магнитной жидкости по поверхности шара и по характеру осадка оценить температурные интервалы различных режимов кипения магнитной жидкости на разных участках поверхности шара;
осуществить экспериментальное и теоретическое моделирование впервые обнаруженных локальных паровых образований - паровоздушных полостей, окружающих экваториальную часть поверхности намагничивающегося шара, охлаждаемого в магнитной жидкости;
провести эксперименты по изучению интенсивности охлаждения различных точек поверхности шара в магнитной жидкости в магнитном поле;
найти распределение температуры в объеме шара в различные моменты
4 времени охлаждения в магнитной жидкости путем решения задачи теплопроводности при граничных условиях, заданных из эксперимента;
определить локальные и интегральные (средние по поверхности) показатели теплопереноса при охлаждении шаров различных диаметров в магнитной жидкости в магнитных полях различной напряженности;
провести закалку стальных шаров, определить локальную твердость и исследовать локальные изменения микроструктуры в различных точках поверхности шаров, закаленных в магнитной жидкости.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые в результате прямых визуальных наблюдений за распределением
осадка расслоившейся магнитной жидкости по поверхности охлаждаемых в маг
нитной жидкости шаров найдено, что на поверхности горячего шара, погружен
ного в магнитную жидкость, образуется след паровоздушной полости, опоясы
вающей экваториальную часть поверхности шара;
проведен анализ распределения сил магнитного поля, действующих на магнитную жидкость вблизи поверхности шара, позволивший объяснить природу образования локальной паровой полости, опоясывающей экваториальную часть поверхности шара, охлаждаемого в магнитной жидкости;
впервые проведено экспериментальное и теоретическое моделирование процесса образования паровоздушной полости в объеме магнитной жидкости вблизи экваториальной части поверхности охлаждаемого шара путем наблюдения за поведением свободной поверхности магнитной жидкости, примыкающей к поверхности холодного шара при включенном магнитном поле;
впервые экспериментально установлено, что интенсивность охлаждения различных точек поверхности шара в магнитной жидкости зависит от координат соответствующих точек поверхности и от величины приложенного магнитного поля, а также показано, что это различие обусловлено распределением давления, действующего на магнитную жидкость в окрестности различных точек поверхности шара;
решена задача о распределении температуры в шаре, подвергнутом охлаждению в магнитной жидкости, при граничных условиях, найденных из экспериментов, и определены локальные и интегральные показатели интенсивности теплообмена шаров с магнитной жидкостью;
впервые осуществлена закалка стальных шаров, изготовленных из шарико подшипниковой стали ШХ15, в магнитной жидкости и экспериментально пока зано, что в процессе закалки в магнитной жидкости путем изменения величинь приложенного магнитного поля можно управлять фазовым составом и твердо стью на различных участках поверхности закаливаемых стальных шаров.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментального изучения влияния состава магнитны;
5 жидкостей на характер распределения осадка расслоившейся магнитной жидкости на разных участках поверхности шаров в широких температурных интервалах охлаждения;
результаты экспериментального и теоретического моделирования обнаруженных паровых полостей, закономерно, в соответствии с распределением магнитного поля в системе, расположенных в окрестности экваториальной части поверхности шара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитном поле;
результаты теоретического анализа распределения давления в магнитной жидкости, показавшего, что в окрестности одних точек поверхности шара на окружающую шар магнитную жидкость действуют силы, прижимающие ее к поверхности шара, а в окрестности других точек - отталкивающие магнитную жидкость от поверхности шара;
результаты экспериментов по изучению интенсивности охлаждения различных точек поверхности шара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности, при начальных температурах нагрева выше и ниже точки Кюри материала шара;
результаты изучения распределения нестационарного поля температур шара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности, а так же результаты расчетов локальных и интегральных показателей теплообмена шаров различного размера с магнитной жидкостью;
результаты экспериментов по изучению фазового состава и механических характеристик стальных шаров, изготовленных из шарикоподшипниковой стали, закаленных в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности.
Практическая ценность полученных результатов. Экспериментально выявлено, что при использовании магнитной жидкости в качестве закалочной среды и проведении локально-неоднородного охлаждения удается получать локально-неоднородную структуру и разную твердость на различных участках поверхности стальных шаров, закаленных в магнитных жидкостях, без существенных остаточных деформаций, что является основанием для решения важной технической задачи - осуществления бездеформационной закалки с управляемым распределением структуры и твердости в диапазоне 50-63 ед. HRC шарообразных гел, применяемых в различных областях техники.
Достоверность полученных результатов подтверждается: применением іри проведении измерений стандартных приборов и оборудования; статистиче-:кой обработкой результатов экспериментов; качественным совпадением результатов расчетов, проведенных по известным физико-математическим моделям, с многочисленными экспериментальными данными.
Личное творческое участие автора. Лично автором разработано и изготовлено основное и вспомогательное экспериментальное оборудование, проведе-
ны все эксперименты. Автор принимал участие в обсуждении и подготовке і публикации работ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались н научных конференциях СГСХА, г.Ставрополь, 1994-2000 гг.; Seventh Internationa Conference on Magnetic Fluids, Bhavnagar, India, 1995; International Symposium oi Microsystems, Intelligent Materials and Robots, Sendai, Japan, 1995; 7-й Междуна родной конференции по магнитным жидкостям г.Плес, 1996 г.; Russian-Japanes Joint Seminar "The Physics and Modeling of Intelligent Materials and their Applica tions", Moscow, 1996; на Всероссийской научной конференции "Физико-химичес кие проблемы нанотехнологий", Ставрополь, 1997 г.; III научной конференциі преподавателей, аспирантов и студентов Ставропольского Университета "Акту альные проблемы современной науки", Ставрополь, 1997 г.; 8-й Международно Плесской конференции по магнитным жидкостям, г.Плес, 1998 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глаї заключения. Содержит 124 страницы, в том числе 1 таблицу, 41 рисунок, списо литературы из 105 наименований.