CC BY
6ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 Серия: Физика Вып. 3 (25)
УДК 536.25
Конвективные автоколебания в вертикальном слое магнитной жидкости
А. С. Сидоров
Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Экспериментально исследовалась устойчивость подъемно-опускного течения магнитной жидкости в плоском вертикальном слое, подогреваемом с одной из широких боковых сторон. Визуализация конвективных течений проводилась при помощи инфракрасной камеры. Обнаружено существование колебательного режима конвекции с периодами от 1 до 2 часов.
Ключевые слова: магнитная жидкость; конвекция; колебания; седиментация; термодиффузия
1. Введение
Известно [1], что в магнитных жидкостях на основе керосина, помимо одиночных магнитных частиц, присутствуют агрегаты и свободные молекулы поверхностно-активного вещества - олеиновой кислоты. Кроме того, сама несущая жидкость - керосин - является смесью углеводородов. Поэтому задачи по конвекции в магнитных коллоидах усложняются целым рядом физических явлений, таких как гравитационная седиментация и термо-форез частиц, термодиффузия составляющих керосина и олеиновой кислоты [2-10].
Как показано в работе [11], неоднородности плотности барометрической природы в обогреваемом сбоку вертикальном слое магнитного коллоида существенно влияют на конвективную устойчивость и структуру термогравитационного и термомагнитного течений, например, могут приводить к ячеистым или слоистым течениям.
В представленном эксперименте впервые описан автоволновой режим первичного термогравитационного течения в обогреваемом сбоку вертикальном слое магнитной жидкости.
Тепловая конвекция однородной по составу жидкости в вертикальном слое изучалась в работах [12-18]; устойчивость подъемно-опускного течения при наличии оседающих частиц - в [19].
2. Экспериментальная установка
В экспериментах использовалась конвективная камера в форме параллелепипеда толщиной d =6.0 + 0.5 мм и размерами сторон 180 мм и 375 мм (рис. 1). Полость 1 с магнитной жидкостью
ограничивалась с одной из широких сторон алюминиевым теплообменником 2 толщиной 19 мм. С другой широкой стороны к полости 1 примыкала текстолитовая пластина 3 толщиной 0,8 мм, которая прижималась рамкой из органического стекла 4. С боковых сторон полость 1 окружалась рамкой 5 из органического стекла, толщина которой задавала высоту слоя. Для визуализации течений использовалась инфракрасная камера, которая регистрировала распределение поля температуры 6 на внешней поверхности текстолитовой пластины 3.
В экспериментах использовалась магнитная жидкость на основе керосина (изготовитель ООО НПВП «Феррогидродинамика», г. Николаев) с плотностью р = 1.44-103 кг/м3, динамической вязкостью ц = 7.66-10"3 кг/(м-с), числом Прандтля Рг= 53. Измерения начальной магнитной восприимчивости х = 2.88, намагниченности насыщения 43 кА/м и среднего размера частиц магнетита 10 нм проводились на установке лаборатории «Динамика дисперсных систем» Института механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь [20].
Постоянная температура на алюминиевом теплообменнике, через который прокачивалась вода от струйного термостата KRIO-VT, поддерживалась с точностью 0.05°С. Другой границей была текстолитовая пластина со свободной наружной поверхностью, нагрев которой задавался температурой в комнате. Комнатная температура регулировалась кондиционером с точностью ± 0.5 °С.
Визуализация полей температуры проводилась с помощью инфракрасной камеры FLIR-CEDIP Titanium с разрешением матрицы 640x512 пикселей и рабочим диапазоном температуры от - 20 до + 3000 °С. В экспериментах температура изменя-
© Сидоров А. С., 2013
лась в диапазоне 5 60 °С. Наблюдение велось со стороны более нагретой текстолитовой стенки. Поток магнитной жидкости вдоль этой стенки был направлен снизу вверх. Частота съемки камеры задавалась равной 2.5 Гц, достаточной для регистрации процессов, протекающих со скоростями в десятые доли миллиметров в секунду. Как показано в [21, 22], при относительно небольших скоростях по изменениям температуры можно судить о структуре и интенсивности конвективных течений. Полученные в опытах изображения полей температур обрабатывались с помощью программного обеспечения АЙаи\
Рис. 1. Схема конвективной камеры: 1 -полость с магнитной жидкостью; 2-алюминиевый теплообменник; 3 - текстолитовая пластина, 4, 5 - рамки из органического стекла; 6 - распределение поля температуры на внешней поверхности текстолитовой пластины
3. Результаты
В работе исследовалась пространственно-временная эволюция первичного термогравитационного подъемно-опускного течения в обогреваемом сбоку вертикальном слое магнитного коллоида. Опыты проводились при фиксированном перепаде температур АТ между широкими боковыми границами слоя.
Перед началом опыта магнитная жидкость
перемешивалась при перепаде температур V/ 30 К в магнитном поле постоянного магнита. Распределение поля температур для такой «перемешанной» относительно однородной по плотности магнитной жидкости при перепаде ДГ=5К показано на рис. 2 справа. Вертикальная шкала показывает значения температуры, соответствующие регистрируемому тепловизором излучению в выбранной цветовой шкале. Пунктиром на рисунке выделена нижняя область конвективной камеры, в которой находится граница спонтанно возникающего двухслойного течения.
120.46
20.17 19.82 19.40 19.00 18.59
18.18 17.78 17.36 16.96 16.55
Рис. 2. Подъемно-опускное течение: схематический вид (слева) и изображение поля температур, полученное при помощи инфракрасной камеры на текстолитовой стенке (трава). Перепад температур между текстолитовой и алюминиевой стенками 5 К
Формирование и эволюция дополнительного вихря, возникающего на фоне первичного одно-вихревого потока показаны на рис. 3. Как видно из кадров 1-3, граница между нижним и верхним вихрями со временем поднимается. Через 52 минуты такое двухваликовое состояние становится неустойчивым. Разрушение возникшего в нижней части слоя дополнительного вихря показано на кадрах 4-8. Сначала появляются области с возмущением границы с левой и правой стороны полости (кадр 4), а затем эти возмущения в виде вихрей движутся вверх по направлению основного потока (кадры 5-8), которые «размывают» неоднородности. Затем снова возникает дополнительный вал в нижней части конвективной камеры (кадр 9). Данный процесс повторялся с периодом от 1 до 2 часов. Эксперименты проводились от нескольких суток до нескольких недель.
52
А. С. Сидоров
Рис. 3. Пространственно-временная эволюция конвективной структуры в вертикальном слое магнитной жидкости при АТ = 5 К. Время эксперимента с момента установления заданного КГ для кадров 1-9: 32; 50; 60; 65; 66; 69; 72; 76; 133 мин.
4. Заключение
В обогреваемом сбоку вертикальном плоском слое магнитного коллоида обнаружены автоколебания подъемно-опускного конвективного потока с характерным периодом 1-2 часа. Причиной автоколебаний может являться образование неоднородностей концентрации по высоте слоя и их последующее спонтанное конвективное перемешивание. Неоднородности плотности в вертикальном слое магнитного коллоида могут возникать вследствие седиментации магнитных частиц и агрегатов, термодиффузионного разделения составляющих керосина и олеиновой кислоты, а также вследствие температурной стратификации жидкости. Опыты по выяснению наиболее важных механизмов автоколебаний в магнитных коллоидах выполняются автором в настоящее время.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 12-08-31423.
Список литературы
БлумЭ.Я., МайоровМ. М„ ЦеберсА.О. Магнитные жидкости. Рига: Зинатне, 1989. 386 с.
Путин Г. Ф. Экспериментальное исследование влияния барометрического распределения на течения ферромагнитных коллоидов // Материалы 11-ш Рижского совещания по магнитной гидродинамике. Рига. 1984. Т. 3. С. 15-18.
БожкоА.А., Путин Г. Ф. Экспериментальное исследование термомагнитной конвекции в однородном внешнем поле // Известия Академии наук СССР. Серия. Физика. 1991. Т. 55, №6. С. 1149-1155. BozhkoA. A., Putin G. F. Heat transfer and flow patterns in ferrofluid convection // Magnetohy-drodynamics. 2003. Vol. 39, N. 2. P. 147-168." BozhkoA., Putin G., Tvnjala T. Oscillatory regimes of Rayleigh convection in ferrofluid // Известия вузов Северо-Кавказского региона.
Естественные науки. Математика и механика сплошной среды. 2004. С. 68-73.
6. BozhkoA., TynjalaT. Influence of gravitational sedimentation of magnetic particles on ferrofluid convection in experiments and numerical simulations // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2005. Vol. 289. P. 281-285.
7. БожкоА.А., Булычев П. В., Путин Г. Ф., Тынъяла Т. Пространственно-временной хаос в конвекции коллоидов // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2007. № 1. С. 29-38.
8. BozhkoA. A., Putin G.F., SidorovA.S., Suslov S. A. Interaction of gravitational and magnetic mechanisms of convection in a vertical layer of a magnetic fluid // Physics Procedia. 2010. Vol. 9. P. 167-170.
9. BozhkoA. A., Putin G. F„ SidorovA.S., Suslov S. A. Thermo magnetic convective flows in a vertical layer of ferrocolloid: Perturbation energy analysis and experimental study // Physical Review E. 2012. Vol. 86. 016301.
10. BozhkoA. A., KuchukovaM. T, Putin G. F. The influence of external uniform magnetic field on convection in magnetic fluid filling a spherical cavity //Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, N. l.P. 161-168.
11. Bozhko A. A., Putin G. F„ SidorovA. S„ Suslov S. A. Convection in a vertical layer of stratified magnetic fluid // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, N. 1. P. 143-152.
12. Гершуни Г. 3., Жуховицкий E. M., Непомнящий A. A. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука, 1989. 320 с.
13. Lappa М. Thermal Convection: Patterns, Evolution and Stability. A John Willey and Sons, Ltd., Publication. UK. 2010. 670 p.
14. Bratsun D. A., Zyuzgin A. V., Putin G. F. On the transition to irregular travelling waves in a long vertical slot // Annals Geophysical Supplement. 1996. Vol. 2, N. 14. P. 121-122.
15. Зюзгин А. В., БрацунД.А., Путин Г. Ф. Надкритические нестационарные движения в плоском вертикальном слое жидкости // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 1997. Вып. 2. С. 59-76.
16 .Зюзгин А. В., Путин Г. Ф. Устойчивость подъемно-опускного течения в вертикальном слое жидкости под воздействием высокочастотных вибраций // Сб. «Вибрационные эффекты в гидродинамике». Пермский университет. Пермь. 1998. С. 130-141.
17. Заварыкин М. П., Зорин С. В., Путин Г. Ф. Экспериментальное исследование режимов тепловой конвекции в вертикальном слое, совершающем вертикальные вибрации // Сб. «Вибрационные эффекты в гидродинамике». Вып. 2. Пермский университет. Пермь. 2001. С. 70-78.
18. Bratsun D. A., Zyuzgin А. V., Putin G. F. Nonlinear dynamics and pattern formation in a vertical fluid layer heated from the side // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2003. Vol. 24, N. 6. P. 835-852.
19 .БрацунД.А., Зюзгин А. В., Путин Г. Ф. Об устойчивости конвективного движения в запыленной среде // Сб. «Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей». Вып. 2. Новосибирский архитектурно-строительный университет. Новосибирск. 1998. С. 28-36.
20. LebedevA. V., Lysenko S. N. Magnetic fluids stabilized by polypropylene glycol // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2011. Vol. 323. P. 1198-1202.
21. StasiekJ. A., Kowalewski T. A. Thermochromic liquid crystals applied for heat transfer research// Opto-Electronics Review. 2002. Vol. 10, N. l.P. 1-10.
22. ГетлингА. В. Конвекция Рэлея-Бенара. Структуры и динамика. М.: Эдиториал УРСС, 1999. 247 с.
Convective self-oscillations in a vertical layer of magnetic fluid
A. S. Sidorov
Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm
The stability of the ascending-sinking flow of magnetic fluid in a plane differentially heated vertical layer is studied experimentally. Visualization of convection flows was performed by means of an infrared camera. The first observation of the existence of oscillatory mode of convection with typical periods of 1 to 2 hours is reported.
Keywords: ferrofluid; convection; oscillations; sedimentation; thermodiffusion
