CC BY
15
УДК 538.951
ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ПОЛЕ КОЛЬЦЕВОГО МАГНИТА Полунин Вячеслав Михайлович, д.ф.-м.н., профессор (e-mail:poluninvm1@gmail.com) Ряполов Петр Алексеевич, к.ф.-м.н., доцент (e-mail: r-piter@yandex.ru) Рябцев Кирилл Сергеевич, аспирант, (e-mail: ceed_13@mail.ru) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия Моцар Александр Александрович, ассистент, (e-mail: alexfx20@yandex.ru) Белорусский национальный технический университет, г.Минск, Беларусь
Обсуждаются результаты экспериментального изучения захвата, транспорта и последующего разрушения воздушной полости на пузырьки магнитной жидкостью в области «магнитного вакуума» кольцевого магнита. Исследование выполнено с применением акустомагнитного метода. Получаемые пузырьки имеют относительно крупные размеры, что расширяет возможности управляемой магнитным полем дозированной подачи малых количеств газа в реактор.
Ключевые слова: магнитная жидкость, газожидкостные системы, газовая упругость, пондермоторная упругость
Введение
Уникальное сочетание способности магнитных жидкостей (МЖ) взаимодействовать с магнитным полем и текучести жидкости представляет не только научный интерес, но являются основой для многочисленных применений. В последнее десятилетие все в большей мере привлекают внимание исследователей вопросы использования микро- и нанодисперсных МЖ для решения специфических задач управляемого магнитным полем демпфирования вибраций, герметизации объемов газа, дозированной подачи малых порций газа в реактор, прерыватели и клапаны в микрозазорах, относящиеся к проблематике микромасштабной мехатроники [1-6].
Для высококачественного мониторинга процесса дозированной подачи малых порций газа представляют интерес результаты исследования явления отрыва воздушного пузырька от полости, удерживаемой в МЖ и сдавленной пондеромоторными силами магнитного поля, сопровождаемого появлением акустических и магнитных колебаний [7, 8]. При этом частота колебаний v соответствует известному в теории акустической кавитации выражению для частоты радиальных колебаний пузырька воздуха [9]:
1
у =-..
3УРо (1)
Р
где Я0 - радиус пузырька, Ро - гидростатическое давление, у=Ср/Су -отношение удельных теплоемкостей газа в пузырьке, р - плотность МЖ.
В условиях эксперимента, подробно описанного в [ 10], воздушная полость, получена путем захвата управляемым потоком намагниченной жидкости порции воздуха с поверхности столбика МЖ. От воздушной полости, прижатой к донышку трубки пондеромоторными силами магнитного поля, при достижении критического давления отрывается пузырек. Оказавшись за пределами «магнитного барьера», воздушный пузырек совершает упругие радиальные колебания в магнитном коллоиде, сопровождаемые возмущением магнитного поля.
Однако радиусы пузырьков, полученных в [7-8] в МЖ с различной вязкостью, находятся в пределах 1,1 - 2,2 мм. В прикладном аспекте возникает необходимость расширения диапазона размеров отделяемых пузырьков от полости. Поскольку речь идет об изучении новых возможностей взаимодействия МЖ с магнитным полем, то в исследованиях данного направления заинтересованы отрасли физической науки как физическая акустика и магнитная гидродинамика.
В настоящей работе для расширения диапазона размеров получаемых пузырьков используется участок магнитного поля с «нулевой» напряженностью кольцевого магнита - область «магнитного вакуума», а в качестве основного экспериментального метода исследования процесса захвата, транспорта и деления магнитной жидкостью воздушной полости применяется метод акустомагнитной индикации.
Экспериментальная установка и методика измерений
На рисунке 1 дано схематическое изображение экспериментальной установки.
На рисунке показаны: 1 - трубка с магнитной жидкостью, 2 - катушка индуктивности, 3 - кольцевой магнит, 4 - воздушная полость, 5 -пьезоэлемент, 6 - перемещающее устройство, 7 и 8 - усилители сигнала, 9 - цифровой осциллограф. Пьезоэлемент типа ПЭУ 16х2,0 с основной резонансной частотой 1 МГц помещен в электроизолирующий экран, изготовленный из тонкой медной фольги.
На рисунке 2 а показано положение магнита в процессе движения после перемещения его из начального положения.
Магнит поднимается с постоянной скоростью о,8 мм/с вверх. При сокращении расстояния от поверхности магнита до свободной поверхности столбика МЖ поверхность жидкости начинает искривляться под воздействием магнитного поля (рисунок 2 Ь). Дальнейший медленный (~0,02мм/с) подъем магнита приводит к образованию полости большего размера (рисунок 2 ё), герметизация которой затем нарушается (рисунок 2
е).
Ш^Ш
а Ь с (1 е 1: 8 Ь 1
Рисунок 2 - Процесс захвата воздушной полости магнитной жидкостью
Восстановление перемычки (герметизация полости) происходит при последующем опускании магнита сразу или после небольшого на ~2 - 3 мм перемещения его вверх (рисунок 2 1). Подъем магнита на большую величину приводит к образованию второй воздушной полости (под магнитом) за счет проскальзывания первой полости вниз через магнитный барьер в центре магнита. В процессе опускания магнита с постоянной скоростью ~ 0,8 мм/с перемычка за счет перетекания МЖ превращается в сплошной столбик (рисунок 2 §), хотя свободная поверхность МЖ остается искривленной. При высоте столбика МЖ >90 мм поверхность жидкости выпрямляется (рисунок 2 И), а воздушная полость следует за магнитом, находясь по близости от «магнитного вакуума». При дальнейшем опускании магнита и выхода на уровень «ниже трубки с МЖ» воздушная полость прижимается неоднородным магнитным полем к донышку (рисунок 2 1).
В качестве основного экспериментального метода исследования процесса захвата, транспорта и деления магнитной жидкостью воздушной полости применяется метод акустомагнитной индикации, основанный на получении осциллограмм акустических и магнитных колебаний системы магнитная жидкость - изолированная воздушная полость. При анализе осциллограмм, фиксируемых в измерительном блоке, применяется программа, разработанная в среде N1 ЬаЬУГЕ'^
Результаты эксперимента и анализ полученных данных
На рисунке 3 приведены осциллограммы акустических и магнитных колебаний, сопровождающих отрыв пузырьков от полости. Прессинг полости, прижатой к донышку трубки неоднородным магнитным полем, производится на скорости перемещения магнита - 0.01 мм/с. На рисунке показаны осциллограммы магнитных колебаний - сверху, а осциллограммы акустических колебаний - снизу. Интервал времени между вертикальными маркерами 10 мс, частота колебаний 925 Гц. Для расчета радиуса пузырька используется выражение (1), переписанное в виде:
К = (2жу)-^3ГРо/ р
В рассматриваем случае учтено, что Ро >> 2а / Ко, где о - коэффициент поверхностного натяжения МЖ. Сделано также допущение об отсутствии влияния стенок трубки на течение жидкости при пульсациях пузырька. Частота пульсаций пузырька V определяется стандартным способом с использованием длительности п - числа полных колебаний. Получено, что радиус пузырька, зафиксированного под номером 7 при дроблении захваченной полости, ~3,2 мм. Заметим, что в работах [7, 8] на МЖ с различной вязкостью, в которых захваченная воздушная полость находилась «под магнитом», отделившиеся пузырьки имели преимущественно более мелкие размеры.
а О Чл ЦДОЛЛЛЛ/ 1 I •лА'"^.....
1
Рисунок 3 - Осциллограммы колебаний пузырька воздуха
По данным измерений частоты колебаний изучена также зависимость радиуса пузырька от его номера в порядке следования при дроблении захваченной воздушной полости. На рисунке 4 приведена зависимость радиуса пузырька К от его номера N в каждой серии измерений с отдельной полостью.
>А
1 1»
11 1 3.8
1 г Ъ 4 5 6 7 I 9 10 11 12 13 М 15
ът
Рисунок 4 - Зависимость радиуса пузырька от его порядкового номера
Кружками показаны результаты измерений на базе данных для 350-ти пузырьков от 28 полученных воздушных полостей. Можно видеть, что радиусы первых в каждой серии оторвавшихся пузырьков находятся в пределах 3,3 - 3,6 мм. По мере сокращения объема полости (возрастание К) происходит уменьшение радиуса оторвавшегося пузырька Я, что согласуется с результатами работ [7, 8].
Некоторые особенности процесса отрыва пузырька от полости на качественном уровне можно объяснить спецификой геометрии магнитного поля, в которой происходит образование полости и отрыв пузырьков от нее, а также кинетикой формы поверхности полости в перемещающемся магнитном поле. Отрыв происходит при равенстве силы поверхностного натяжения ¥а = 2пто сумме архимедовой и пондеромоторной сил
= рУя + и0М¥УИ, достигаемом в данном случае при большем значении
объема пузырька V. (Обозначения: g - ускорение свободного падения, М и р - намагниченность и плотность жидкости).
Высказанное в работе [8] допущение о влиянии кривизны поверхности полости на размеры пузырьков в данном случае объясняет значительное возрастание радиусов (с 1 мм до 3 мм) при использовании полости, захваченной в магнитном поле с «магнитным вакуумом», а также уменьшение размеров пузырьков в порядке их отрыва. Чем острее угол при вершине поверхности, тем меньше радиус шейки пузырька при его отрыве.
В процессе опускания магнита поверхность полости изменяет свою форму, переходя от более гладкой (округлой) формы к более вытянутой форме, иллюстрируемую переходом от изолинии 42,5 кА/м к изолинии 45 кА/м, с чем, по-видимому, связано уменьшение радиуса шейки отрывающегося пузырька и уменьшение объема пузырька.
Данная ситуация имеет сходство с процессом отрыва кавитационных пузырьков от поверхности излучателя с различной смачиваемостью [11]. Если жидкость слабо смачивает излучающую поверхность, то пузырьки должны расширяться вдоль поверхности, что затрудняет их отрыв силой радиационного давления.
Геометрия изолинии модуля напряженности магнитного поля отображает форму поверхности МЖ как [8], так и в настоящей работе, в том числе, на стадиях, предшествующей получению полости и отрыву пузырька. Отрыв более мелких по размерам пузырьков в [8] обусловлен «заостренной» конической формой поверхности полости. В то же время изолинии модуля напряженности в окрестности «магнитного вакуума», имеют форму, сходную с поверхностью эллипсоида, что способствует образованию более крупных пузырьков.
В 2017-м году исполняется столетний юбилей работы Рэлея по кавитации [12], в которой показана возможность жидкости с воздушными пузырьками «звучать». Имея ввиду магнитные жидкости, уместно дополнить список возможностей, в числе которых - генерация акустического и переменного магнитного поля, управляемость магнитным полем в устройствах макро - и микромасштабной мехатроники.
Заключение
В заключение сделаем несколько замечаний:
1. В качестве основного экспериментального метода исследования процесса захвата, транспорта и деления магнитной жидкостью воздушной полости применяется метод акустомагнитной индикации.
2. Диапазон размеров оторвавшихся от полости воздушных пузырьков расширен в сторону увеличения до R ~ 3 мм. Значительное увеличение размеров полученных пузырьков, а также тенденция уменьшения их в порядке отрыва от полости, возможно, связаны с особенностями формы полости и ее изменением в соответствии с концепцией «отображения» геометрией изолиний модуля напряженности магнитного поля.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 17-52-04025\17).
Список литературы
1. Wei Zhang, Jinghui Peng and Songjing Li Damping Force Modeling and Suppression of Self-Excited Vibration due to Magnetic Fluids Applied in the Torque Motor of a Hydraulic Servovalve // Energies, 2017, 10, рр. 749-759.
2. Lee J.H., Nam Y.J., Yamane R., Park M.K. Position feedback control of a nonmagnetic body levitated in magnetic fluid // Journal of Physics: Conference Series. 2009. № 149. рр. 15.
3. Jie Yao, De Cai Li, Zhi Li Zhang, Jun Hui Zhang Study on the Structure of the Magnetic Fluid Damper // Key Engineering Materials, V.512-515 (2012), pp.1474-1478
4. Polunin V.M., Boev M.L., Myo Min Than, Ryapolov P.A. Experimental study of an air cavity held by levitation forces // Magnetohydrodynamics. 2012. V. 48, № 3, рр. 557-566.
5. Polunin V.M., Boev M.L., Karpova G.V., Myo Min Than. Elastic Properties of a Magnetic Fluid with an Air Cavity Retained by Levitation Forces // Acoustical Physics. 2013. Vol. 59. №1. P.56-61.
6. Емельянов С.Г., Полунин В.М., Кобелев Н.С., Ряполов П.А., Шабанова И.А. Пат. 101818 Российская Федерация, МПК G 01 F 11/00. Дозатор газа [Текст] /; заявитель и патентообладатель Юго-Западный гос. ун-т. № 2010119759/28; заявл. 17.05.2010. опубл. 27.01.2011. Бюл. № 3. 6 с. ил.
7. Boev M.L., Polunin V.M., Ryapolov P.A., Karpova G.V., Prokhorov P.A. Oscillations of a Bubble Separated from an Air Cavity under Compression Caused by Magnetic Field in a Magnetic Fluid // Acoustical Physics. 2014, Vol. 60, №. 1, pp. 29-33.
8. Polunin V. M., Storozhenko A.M., Shabanova I.A., [et al.] Effect of magnetic field perturbation in Magnetic Fluid with Pulsating Bubbles // Magnetohdrodynamics. 2014. V. 50. №4, pp. 431-441.
9. Сиротюк М.Г. Акустическая кавитация / Тихоокеан. океанол. ин-т им. В.И. Ильичева ДВО РАН. - М.: Наука. 2008. С. 271.
10. Boev M. L., Polunin V.M, P.A. Ryapolov, [et al.] Instability of the Flow of a Magnetic Liquid Pushing Down an Air Cavity // Russian Physics Journal. 2015. V. 57. №10, pp 13481355.
11. Михайлов И.Г., Полунин В.М. О влиянии смачиваемости поверхности, излучающей ультразвук, на отрыв кавитационных пузырьков от неё // Акуст. журн. 1973. Т. 19. вып. 3. С. 462-463.
12. Rayleigh. On pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // Philos. Mag. 1917. Vol. 34. P. 94- 100.
Polunin Vyacheslav Mikhailovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor
(e-mail: poluninvm1@gmail.com)
Southwest State University, Kursk, Russia
Ryapolov Petr Alekseevich, Ph.D., Associate Professor
(e-mail: r-piter@yandex.ru)
Southwestern State University, Kursk, Russia
Ryabtsev Kirill Sergeevich, graduate student,
(e-mail: ceed13@mail.ru)
Southwestern State University, Kursk, Russia
Mozar Alexander Aleksandrovich, assistant,
(e-mail: alexfx20@yandex.ru)
Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus
CAPTURE AND SEPARATION OF AIR SPACE BY A MAGNETIC FLUID IN THE "MAGNETIC VACUUM" OF A RING MAGNET
Abstract. The results of an experimental study of the capture, transport, and subsequent destruction of the air cavity on bubbles by a magnetic fluid in the region of the "magnetic vacuum" of a ring magnet are discussed. The study was performed using the acoustomagnetic method. The resulting bubbles have relatively large dimensions, which expands the possibility of a controlled magnetic field of dosed supply of small amounts of gas to the reactor. Keywords: magnetic fluid, gas-liquid systems, gas elasticity, ponderomotive elasticity
