СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................8
ГЛАВА 1 - ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ..16
1.1 Краткие исторические сведения об изучении процесса кипения магнитной жидкости в магнитном поле........................16
1.2 Теплообмен при нестационарном кипении магнитной жидкости на поверхности тел цилиндрической формы.......................21
1.3 Теплообмен при нестационарном кипении магнитной жидкости на поверхности вертикальной пластины..........................25
1.4 Нестационарный теплообмен при кипении магнитной жидкости на поверхности шара ..........................................27
1.5 Приложения результатов исследования нестационарного кипения магнитной жидкости на поверхности тел простой геометрической формы. Закалка в магнитной жидкости........................30
ГЛАВА 2 - ЧАСТОТА ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПАРА ПРИ КИПЕНИИ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ОДИНОЧНОМ ЦЕНТРЕ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВО ВНЕШНЕМ ПОСТОЯННОМ ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.................................36
2.1 Объект исследований ...................................36
2.2 Особенности метода измерений частоты образования пузырьков пара.......................................................38
2.3 Описание экспериментальной установки и методики измерений частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования...............46
2
2.4 Результаты экспериментального изучения влияния однородного магнитного поля на частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования в однородном внешнем магнитном поле..........................55
2.5 Теоретический анализ влияния однородного магнитного поля на частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования.................62
ГЛАВА 3 - ЧАСТОТА ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПАРА ПРИ КИПЕНИИ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ОДИНОЧНОМ ЦЕНТРЕ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВО ВНЕШНЕМ ПОСТОЯННОМ НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ С РАЗЛИЧНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ГРАДИЕНТА ПО ОТНОШЕНИЮ К НАПРАВЛЕНИЮ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ....................................70
3.1 Особенности экспериментальной установки и методики измерений частоты образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле.......................70
3.2 Результаты экспериментального изучения влияния неоднородного магнитного поля с 1радиентом, направленным в сторону силы тяжести на частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования 76
3.3 Результаты экспериментального изучения влияния неоднородного магнитного поля с градиентом, направленным в сторону, противоположную силе тяжести на частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования ...............................................83
3.4 Теоретический анализ влияния неоднородного магнитного поля на частоту образования пузырьков пара при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования в неоднородном внешнем магнитном поле.......................................86
3
ГЛАВА 4 - ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ НА ОДИНОЧНОМ ЦЕНТРЕ ПАРООБРАЗОВАНИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ............................................90
4.1 Теплообмен при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования в однородном внешнем магнитном поле..................................................90
4.2 Теплообмен при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования в неоднородном внешнем магнитном поле..................................................98
4.3 Критериальные уравнения теплообмена при кипении магнитной жидкости на одиночном центре парообразования в магнитном поле..........................................103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................106
ЛИТЕРАТУРА...............................................108
4
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНЛ ЧЕНИЯ
а - коэффициент температуропроводности жидкости В - индукция магнитного поля Вг - величина остаточной индукции С - константа
д - размер магнитных частиц
Оо - отрывной диаметр пузырька пара при кипении без магнитного поля Рот- отрывной диаметр пузырька пара при кипении в магнитном поле б0 - отрывной диаметр пузырька пара Г - частота образования пузырьков пара { - эмпирически й коэффициент
(о - частота отрыва пузырьков пара без магнитного поля {щ - частота отрыва паровых пузырьков в магнитном поле % - ускорение силы тяжести вт - магнитный аналог числа Грасгофа -критерийГрасгофа Ь - высота катушки Н - напряженность магнитного поля Н* - магнитное поле в объеме жидкости
Нп - компонента магнитного поля, нормальная к плоскости витка Нс - коэрцитивная сила
Н’ - магнитное поле, создаваемое намагниченностью магнитной жидкости
Н0 - напряженность внешнего магнитного поля
Ц - напряженность магнитного поля в объеме жидкости Н* - напряженность магнитного поля на уровне нагревателя к - постоянная Больцмана Б - радиус витка катушки
т - магнитный момент одной магнитной частицы дисперсной фазы М - намагниченность магнитной жидкости
М) - намагниченность жидкости на уровне теплоотдающей поверхности
5
М2 - намагниченность жидкости на границе неоднородно нагретого пристенного слоя жидкости с основной массой жидкости М5 - намагниченность насыщения магнитного материала М*г - намагниченность жидкости на уровне нагревателя п - число центров образования зародышей пузырей Л - вектор нормали к границе раздела областей N - размагничи вающий фактор Ь[и - число Нуссельта q - удельный тепловой поток Рг - критерий Прандтля К - радиус пузырька пара г - теплота парообразования г - радиус-вектор 1^. - критерий Рейнольдса ь - расстояние между поверхностями сфер
81 - часть поверхности 8, расположенная слева от плоскости симметрии
82 - часть поверхности Б, расположенная справа от плоскости симметрии Т - температура возмущенного потока
Т( - температура в верхней точке стержня
Т2 - температуры в нижней точке стержня
Тг - температура невозмущенного потока жидкости
Тт( - температура основной массы (ядра) магнитной жидкости
Т* - температура стенки нагревателя
V - объем основной массы (ядра) жидкости
\УХ - скорость потока вдоль оси X
У/у - скорость потока вдоль оси У
Ъ* - безразмерная вертикальная координата витка катушки Ф - магнитный поток а - коэффициент теплоотдачи
ртт - магнитный аналог коэффициента температурного расширения рт - коэффициент температурного расширения
6
А, - коэффициент теплопроводности жидкости
X - коэффициент теплопроводности материала теплоподводящего стержня Д - смещение в расположении оси пузырька относительно оси симметрии катушки
УМ - градиент намагниченности магнитной жидкости V// - градиент напряженности магнитного поля Дх - толщина неоднородно прогретого слоя магнитной жидкости 6 - толщина динамического поіраничного слоя 5Т - толщина теплового пограничного слоя Щ- функция краевого угла 0
ф - объемное паросодержание пристенного двухфазного слоя - площадь отдельного витка катушки ра - магнитная проницаемость пузырька Рі - магнитная проницаемость магнетика ро - магнитная постоянная
V - коэффициент кинематической вязкости жидкости £ - аргумент функции Ланжсвена ртГ - плотность магнитной жидкости ру - плотность пара в пузырьке
а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости ат - поверхностная плотность фиктивного магнитного заряда
Принятые сокращения
д \ д 8 г %гаа> + "1"& ” опеРатоР “ градиент
ПАВ - поверхностно-активные вещества АЦП - аналого-цифровой преобразователь
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы и направление исследований
Попытки синтезировать магнитоуправляемые материалы с использованием порошков ферромагнетиков были еще в 1950-х годах. Удачные попытки создания магнитных жидкостей были произведены к 1960-м годам. Впервые устойчивые магнитные жидкости были получены с помощью химического осаждения в середине 1960-х годов. Современные магнитные жидкости представляют из себя коллоидные растворы магнитных частиц однодоменного размера, которые обладают постоянным магнитным моментом. В последнее время сильно возрос интерес к практическому применению магнитных жидкостей. Это связано с удивительным сочетанием недостижимых в иных материалах свойств сильной магнитоуправляемости и традиционных качеств обычных жидкостей.
С изучением уникальных свойства магнитных жидкостей появилась возможность создавать оригинальные устройства с необычными конструктивными решениями. Широкое применение магнитных жидкостей отразилось в различных отраслях машиностроения, техники, медицины, науки, экологии и пр. Лечение злокачественных опухолей, локальная доставка лекарств, а также некоторые виды операций стали доступны с применением магнитных жидкостей в медицине. Существенное увеличение срока службы и улучшение условий работы отдельных узлов машин, например уплотнений, в механизмах передачи движения, демпферах, подшипниках, можно получить с помощью магнитных жидкостей. Экологические службы получили возможность очистки водоемов от различных загрязнений, таких как нефтепродукты и т.д.
Однако, несмотря на более чем сорокалетнюю историю изучения магнитных жидкостей такой важный для применения фазовый переход как про-
8
цесс кипения магнитных жидкостей остается практически неизученным. Во многих странах мира уже более 50 лет теоретически и экспериментально изучают магнитные жидкости, каждый год проводится несколько международных конференций. Было опубликовано большое количество монографий [1-7], сотни крупных статей, посвященных различным аспектам физико-химии, механики, оптики, тепло- и массопереноса в магнитных жидкостях. Процессы теплообмена при кипении магнитных жидкостей фактически стали изучать лишь с начала 80-х годов. В 80-х годах большой интерес к изучению теплофизики кипения магнитных жидкостей появился в результате предложения, сделанного профессорами Чекановым В.В. и Симоновским А .Я., применять магнитные жидкости в качестве закалочных сред (Авторское свидетельство СССР № 985076. Заявл. 26.05.81 № 3294878/22-02. Опубл. 30.12.82 в Б.И. 1982, № 48).
При охлаждении образца в закалочной среде имеют место различные режимы кипения. Пузырьковый режим кипения охлаждающей среды наблюдается при температуре теплоотдающей поверхности ниже температуры основного превращения в стали - мартенситного. Мартенситное превращение в стали происходит в низкотемпературной области охлаждения, изучение пузырькового кипения в магнитной жидкости и влияние на него магнитного поля приобретает особый интерес и важность. Технологические процессы, связанные с кипением, требуют глубокого понимания всех деталей такого фазового перехода. Более широкий интерес для теплофизики представляет изучение процессов пузырькового кипения магнитной жидкости, связанный с применением магнитных жидкостей теплоносителем в различных тепло- и электротехнических устройствах [1-10].
До сих пор остаются невыясненными вопросы, касающиеся зарождения и развития паровой полости на поверхности нагрева в постоянных и переменных магнитных полях, распределения температур в жидкости и сопри-
9
касающейся теплоотдающей поверхности нагревателя. Неизученными остаются тепловые параметры кипения жидкости, такие как коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока, геометрия парового пузырька, частота его отрыва от теплоотдающей поверхности, а так же скорость его всплытия.
Изучение процесса пузырькового кипения магнитных жидкостей осложнено многообразием динамических структур, а также статистическим характером взаимодействия различных факторов. До сих пор существуют различные теории о механизмах теплопереноса при пузырьковом кипении обычных жидкостей [93]. Во многих теоретических моделях теплообмена обычных жидкостей упоминается наиболее важный с точки зрения анализа механизмов переноса тепла кинетический параметр процесса пузырькового кипения жидкостей - частота образования пузырьков пара [94].
Все это подтверждает актуальность предложенной диссертационной работы. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию указанных выше вопросов.
Данная диссертационная работа выполнялись в Ставропольском государственном аграрном университете в 2003-2007 годах в соответствие с планом научно-исследовательских работ университета. Работа поддерживалась коллективным грантом Института механики Московского Государственного Университета РФФИ № 05-01-00839.
Цель работы
Заключается в экспериментальном и теоретическом исследовании влияния внешнего постоянного однородного и неоднородного магнитных полей на частоту образования пузырьков пара и теплообмен при пузырьковом режиме кипения магнитной жидкости на одиночном центре парообразования.
10
- Київ+380960830922