Введение к работе
Актуальность проблемы и направление исследований. Магнитные жидкости, синтезированные в середине 60-х годов, относятся к перспективным композиционным материалам. Благодаря своим уникальным свойствам, они имеют весьма широкий спектр применения: от приборостроения до медицины. Физика магнитных жидкостей, как междисциплинарная область, включает микро- и макроуровни физического описания. При статистическом описании динамических свойств магнитных жидкостей используется только одно-частичяое приближение и при подходящем выборе функции распределения частиц по размерам удается описать экспериментальные результаты по магнитооптике и магнитной спектроскопии.
В физике магнитных жидкостей значительный интерес представляет проблема межчастичных взаимодействий и ряд связанных с ней вопросов: агрегирование частиц, характер магнитного упорядочения, типы релаксационных процессов. Методы физической акустики весьма чувствительны к структурным особенностям среды, исследования этими методами проводятся в объеме вещества, не нарушают его структуру и позволяют проследить динамику происходящих в веществе процессов, вызванных воздействием внешних полей, поэтому актуальность применения этих методов к изучению динамических свойств магнитных жидкостей несомненна. Другой аспект применения методов физической акустики определяется следующим. Континуальное описание магнитных жидкостей проводится в рамках феррогидродинамики - сравнительно новой области гидродинамики, возникшей именно благодаря синтезу магнитных жидкостей. Число континуальных моделей непроводящей магнитной жидкости, а именно такого типа жидкости наиболее широко используются в практике, весьма велико, и процесс разработки новых моделей продолжается. Этот факт указывает и на актуальность проблемы и на неудовлетворительность предложенных моделей, что обусловлено сложностью моделируемой среды, отсутствием четких критериев применимости моделей.
В этой связи изучение особенностей распространения ультразвуковых волн в магнитных жидкостях имеет большое значение для развития феррогидродинамики, поскольку результаты таких иссле-
дований позволяют провести апробацию существующих различных уравнений феррогидродинамики уже в линейном приближении. Такое направление применения методов физической акустики представляется весьма важным, так как обеспечивает экспериментальную основу для построения континуальных моделей реологически сложных сред.
Настоящая работа, где изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в 1982 - 1996 гг., отражает новое научное направление - физическая акустика магнитных жидкостей. Результаты, содержащиеся в диссертации, были получены при выполнении исследований в рамках комплексной научно-технической программы "Магнитные жидкости* МВОССО РСФСР на период до 1990 г. ив соответствии с Постановлением ГКНТ СССР N 485 от 14.11.1986, а также при выполнении плановых научно - исследовательских работ Московской государственной академии приборостроения и информатики Министерства общего и профессионального образования РФ.
Цель работы - изучение динамических свойств магнитных жидкостей методами физической акустики. Для этого были поставлены и решены следующие задачи:
изучение распространения ультразвуковых волн в ненамагничев-ных магнитных жидкостях на различной основе ;
исследование комплекса физических параметров магнитных жидкостей в условиях высокого давления (до 108Па);
изучение кинетики намагничивания магнитных жидкостей акустическим методом;
исследование анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей в постоянных магнитных полях;
разработка методов и проведение исследований электромагнитно - акустических (ЭМА) явлений ;
создание континуальной модели магнитной жидкости.
Решение этих задач было достигнуто благодаря проведению параллельно экспериментальных и теоретических исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые экспериментально обнаружен релаксационный характер поглощения ультразвука в магнитных жидкостях и показано, что
наиболее вероятными каналами диссипации энергии ультразвука являются вязкостный, магнитодинамический и тепловой механизмы поглощения ультразвука. Магнитодинамический механизм отражает специфику магнитной жидкости, поскольку проявляется благодаря магнитным днпольным моментам частиц твердой фазы.
Создан новый метод измерения комплекса физических параметров магнитных жидкостей: скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн, плотности, эффективного коэффициента сдвиговой вязкости при высоких давлениях. Впервые получены экспериментальные данные о барической зависимости указанных параметров в магнитной жидкости на основе керосина с различным объемным содержанием частиц твердой фазы при вариации давления до 10* Па и температуры в диапазоне 293-333 К.
Предложен акустический метод изучения процессов структуро-образования в магнитных жидкостях в процессе намагничивания. Динамика роста агрегатов восстанавливалась по экспериментальным значениям временной зависимости коэффициента поглощения с помощью полученного выражения для коэффициента поглощения ультразвуковых волн, распространяющихся в магнитной жидкости с эллипсоидальными агрегатами.
Разработана методикаизмерения анизотропии скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн в намагниченных магнитных жидкостях, обеспечивающая получение воспроизводимых результатов. Впервые получены результаты по анизотропии акустических свойств в магнитных жидкостях на основе керосина, додекапа и воды.
Получена новая система уравнений феррогидродинамики в приближении вмороженности намагниченности и предсказано существование новых гидродинамических мод: медленной магнитозвуковой волны и волны альфвеновского типа.
Развита теория распространения ультразвуковых волн в магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью, позволившая описать имеющиеся экспериментальные результаты по анизотропии скорости ультразвука.
Разработаны физические основы электромагнитно - акустической спектроскопии магнитных жидкостей, позволившие установить вли-
яние состава и внешних условий на магнитостршщионные свойства магнитных жидкостей, разработан метод оценки среднего размера частиц и метод измерения интенсивности ультразвука.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных и теоретических исследований диссипации энергии ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях.
Методика эксперимента и результаты изучения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, плотности, сдвиговой вязкости в условиях высокого давления.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований кинетики намагничивания акустическим методом.
Методика измерения анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей и соответствующий массив экспериментальных данных для магнитных жидкостей различного типа.
Континуальная модель магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью и созданная на ее основе теория распространения ультразвуковых волн в магнитных жидкостях
Результаты исследований электромагнитно - акустических явлений, включая методы изучения прямого и обратного ЭМА преобразования, анализ ЭМА спектров.
Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации экспериментальные методы изучения динамических свойств магнитных жидкостей с помощью ультразвука могут быть использованы в целях экспресс-анализа и диагностики качества магнитных жидкостей, а также могут составить физическую основу соответствующих приборов. Полученный массив экспериментальных данных по те-плофизическим и кинетическим свойствам магнитных жидкостей в условиях высокого давления может быть использован в инженерных расчетах магнитожидкостных узлов и устройств, предназначенных для работы в условиях высокого давления, в частности, в расчетах гидроакустических антенн. Разработанные методики и результаты изучения ЭМА преобразования в магнитных жидкостях открывают новые возможности как в практике научных исследований, так и при разработке современных контрольно - измерительных приборов. Представленные в работе результаты по физическим свойствам маг-
нитожидкостного контакта, применяемого в ультразвуковой дефектоскопии, позволяют осуществить оптимальный выбор типа магнитных жидкостей при заданном рабочем диапазоне температур.
Апробация работы проводилась на международных и всесоюзных конференциях, семинарах в научных организациях страны, основными из которых являются следукициегВсесоюзная школа-семинар по магнитным жидкостям (Плес,1983), Всесоюзные конференции по физике магнитных явлений (Тула, 1983; Донецк, 1985; Калинин, 1988), Всесоюзные совещания по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988; Пермь, 1990), Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1987), Рижские совещания по магнитной гидродинамике (Юрмала 1987, 1990), Международные конференции по магнитным жидкостям (Париж, 1992; Бхав-нагар, 1995), Международная конференция по нелинейной акустике (Берген, 1993), Международная коференция "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике", (Минск, 1993) Конференция Американского акустического общества (1994), Международная акустическая конференция северных стран (Архус, 1994), Международная Рижская конференция по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1995), 19 Международный конгресс по теоретической и прикладной механике (Киото, 1996), 7-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям (Плес, 1996), а также на семинарах в ИОФ АНССР, Институте механики сплошных сред (Пермь), Институте механики МГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 73 работы, в том числе 6 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 230 страниц, в том числе 23 таблицы, 57 рисунков, список литературы из 184 наименований.