Введение к работе
Актуальность проблемы и направление исследований. Магнитные жидкости, представляющие собой коллоидные растворы ферро- или ферримагнит-ных частиц в жидких носителях, относятся к числу новых магнитных материалов. Благодаря удивительному сочетанию сильных магнитных свойств, при наличии всех остальных свойств обычных жидкостей, магнитные жидкости получили широкое распространение в различных областях науки, техники и медицины. В последние годы активно исследуется влияние магнитного поля на тепло- и массопе-ренос при кипении магнитных жидкостей. Мапгатоуправляемость магнитных жидкостей открывает широкие перспективы для использования их в качестве ох-лаждающігх сред при высокотемпературных технологических процессах, например таких, как термическая обработка материалов..
Изучение влияния магнитного поля на тепло- и массоперенос при охлаждении полых цилиндров в магнитной жидкости представляет как научный, так и практический интерес. Эти исследования расширяют представления о закономерностях протекания нестационарных процессов кипения магнитных жидкостей в постоянных магнитных полях, а так же вносят вклад в разработку нового нетрадиционного вида термической обработки материалов, обеспечивающего управление механическими свойствами, структурой и деформациями изделий машиностроения, подвергаемых закалке или другим видам термической обработ-. ки.
Диссертационная работа выполнялась в 1996-2000 гг. в соответствие с планами научно-исследовательских работ Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии и поддерживалась РФФИ (Гранты РФФИ №96-01-01747 и №99-01-01057).
Целью настоящей работы являлось изучение влияние внешнего магнитного поля на процессы тепло- и массообмена, гидростатику и гидродинамику магнитной жидкости в окрестности наружной и внутренней поверхностей полого цилиндра, а так же на структуру, механические свойства и величину остаточных деформаций стальных полых цилиндров, подвергаемых термической обработке в магнитной жидкости.
Для этого были поставлены следующие основные задачи: исследовать влияние магнитного поля на изменение температуры различных точек внутренней и наружной поверхностей полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;
провести эксперименты по изучению возникающих в полести цилиндра интенсивных парожидкостных потоков;
осуществить экспериментальное и теоретическое моделирование лекальных паровых полостей, обнаруженных в процессе охлаждения полото цилиндра в
окрестности его наружной стенки при различных ориентациях оси цилиндра к направлению вектора внешнего магнитного поля и вектора силы тяжести;
найти распределение температуры в стенке полого цилиндра в различных условиях охлаждения в магнитной жидкости;
определить остаточные деформации полого цилиндра, подвергнутого термической обработке (нагреву в печи и охлаждению) в магнитной жидкости;
изучить влияние магнитного поля на формирование структуры и механических свойств на разных участках стенки стальных полых цилиндров, подвергнутых закапочному охлаждению в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые экспериментально и теоретически изучено влияние магнитного поля на тепло- и массоперенос при охлаждении полого намагничивающегося цилиндра в магнитной жидкости;
впервые' экспериментально обнаружено возникновение интенсивных турбулентных парожидкостных потоков в полости цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости без магнитного поля и в магнитном поле, когда начальная температура охлаждаемого цилиндра выше температуры Кюри материала цилиндра;
впервые показано, что при охлаждении полого цилиндра в магнитной жидкости в магнитном поле от начатьной температуры выше точки Кюри материала цилиндра его полость в течение длительного периода времени охлаждается более интенсивно, чем его наружная поверхность, т.е. так же, как и без магнитного поля;
впервые найдено, чіо при охлаждении полого цилиндра в магнитной жидкости в магнитном поле от начальной температуры ниже точки Кюри материала цилиндра магнитные силы препятствуют проникновению магнитной жидкости в полость цнлин-ра и охлаждение внутренней его стенки происходит в паровоздушной среде во всех исследованных температурных интервалах охлаждения;
впервые показано, что при охлаждении полого цилиндра в магнитной жидкости в маши гном поле от начальной температуры ниже точки Кюри материала цилиндра в окрестности его наружной поверхности образуются регулярно, в соответствие с распределением магнитного гголя, расположенные локальные паровоздушные полости;
впервые проведено экспериментальное и теоретическое моделирование образования паровоздушных полостей, регулярно расположенных в окрестности различных участков наружной поверхности полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости, путем наблюдения за состоянием свободной поверхности магнитной -жидкости вблизи внутренней и наружной поверхностей полого цилиндра при различной ориентации его оси к иапраапеншо вектора внешнего магнитного поля и вектора силы тяжести;
в результате решения задачи о распределении температуры в стенке полого
цилиндра в различные моменты времени охлаждения впервые показано сложное ее распределение по толщине стенки полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости;
впервые экспериментально показано, что, изменяя толщину стенки полого цилиндра и интенсивность внешнего магнитного поля, можно управлять остаточными деформациями полого цилиндра, возникающими в результате неоднородного охлаждения его поверхности в магнитной жидкости;
впервые экспериментально найдено, что при закалке полого цилиндра в магнитной жидкости путем изменения величины внешнего магнитного поля можно добиваться как равномерного, так и неравномерного распределения структуры и механических свойств в стенке полого цилиндра.
На защиту выносятся:
результаты экспериментального изучения закономерностей охлаждения различных точек внутренней и наружной поверхностей полого намагничивающегося цилиндра от начальных температур выше и ниже точки Кюри материала цилиндра в магнитной жидкости без магнитного поля и в магнитных полях различной интенсивности;
результаты экспериментального изучения различных режимов кипения магнитной жидкости в различных температурных интервалах охлаждения по характеру осадка расслоившейся магнитной жидкости на поверхности полого намагничивающегося цилиндра при охлаждении его в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;
результаты экспериментального и теоретического моделирования локать-ных паровоздушных образований в магнитной жидкости вблизи 'наружной поверхности полого намагничивающегося цилиндра при различной ориентации его оси к направлению вектора внешнего магнитного поля и вектора силы тяжести;
результаты численного моделирования нестационарного поля температур полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;
результаты экспериментов по изучению остаточных деформаций'полого цилиндра, подвергнутого неоднородному охлаждению в магнитной жидкости;
результаты экспериментов по закатке стальных полых цилиндров в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности.
Практическая ценность полученных результатов, Экспериментальные исследования тепловых, гидродинамических, термоупругих и металлофизиче-ских процессов, сопровождающих охлаждение полых намагничивающихся цилиндров в магнитных жидкостях, показали, что путем наложеш;' магнитного поля и изменением толщины стенки полого цилиндра при термической обработке і: магнитных жидкостях можно управлять распределением структуры и механических свойств стенки цилиндра, и при этом добиваться заранее заданной кемічнпь:
ее остаточных деформаций, либо осуществлять бездеформационную закалку, что имеет большое значение для практики термической обработки изделий машиностроения.
Достоверность полученных результатов подтверждается: сопоставлением расчетов, проведенных по разработанным моделям, с многочисленными экспериментальными данными; применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования; статистической обработкой результатов экспериментов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях СГСХА в 1997, 1998, 1999, 2000 гг.; III научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов Ставропольского университета "Актуальные проблемы современной науки", Ставрополь, 1997 г.; Всероссийской научной конференции "Физико-химические проблемы нанотех-нологий", Ставрополь, 1997 г.; 8гй Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям, г.Плес, 1998 г.; Юбилейной конференции «Современные проблемы механики», посвященной 40-летию Института механики МГУ, Москва, 1999 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация написана на 153 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 63 рисунка,-3 таблицы и список литературы из 99 наименований.