научная статья по теме УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПРИ ОТРЫВЕ ОТ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПРИ ОТРЫВЕ ОТ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 4, с. 457-463

ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА

УДК 538.951

УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ПРИ ОТРЫВЕ ОТ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

© 2015 г. В. М. Полунин*, И. А. Шабанова*, Г. В. Карпова*, Н. С. Кобелев*, К. С. Рябцев*, В. Б. Платонов*, И. М. Арефьев**

*Юго-Западный государственный университет 305040 Курск, ул. 50 лет Октября 94 E-mail: polunin-vm1@yandex.ru **Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина 153003 Иваново, ул. Рабфаковская 34 Поступила в редакцию 18.07.2014 г.

Упругие колебания воздушных пузырьков, оторвавшихся от воздушной полости в процессе сдавливания ее пондеромоторными силами магнитного поля в магнитной жидкости, сопровождаются появлением переменной составляющей магнитного поля. Частота переменной составляющей соответствует частоте радиальных колебаний воздушных пузырьков, что используется в настоящей работе для определения их размеров. На шести образцах магнитной жидкости с различной вязкостью получен обширный массив данных, с использованием которого построены гистограммы распределения пузырьков по радиусам. Эффект появления переменной составляющей магнитного поля, вызванной пульсирующими в намагниченной магнитной жидкости пузырьками, может быть использован для создания принципиально нового способа дозированной подачи малых порций газа в реактор и при изучении процесса кипения магнитной жидкости.

Ключевые слова: пульсации пузырька, магнитная жидкость, частота переменной составляющей магнитного поля, возмущение магнитного поля, гистограмма распределения, вязкость, дозированная подача газа.

DOI: 10.7868/S0320791915040085

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие все в большей мере привлекают внимание исследователей вопросы использования микро- и нанодисперсных магнитных жидкостей для решения специфических задач управляемого магнитным полем демпфирования вибраций, автосборки миниатюрных объектов, дозированной подачи малых порций газа в реактор, относящихся к проблематике микромасштабной мехатроники [1—5].

Для высококачественного мониторинга процесса дозированной подачи малых порций газа представляют интерес результаты экспериментального исследования явления отрыва воздушного пузырька от полости, удерживаемой в магнитной жидкости (МЖ) и сдавленной пондеромоторными силами магнитного поля, сопровождаемого появлением переменной составляющей магнитного поля, изложенные в работе [6]. Частота переменной составляющей магнитного поля в пределах погрешности измерений соответствует известному в теории акустической кавитации выражению для частоты V радиальных колебаний пузырька воздуха, получен-

ному в предположении сферически симметричного течения невязкой жидкости [7]:

v = ■

(1)

^ М>

2пЯЛ Р '

где До — радиус пузырька, Р0 — гидростатическое давление, у = Ср/Сч — отношение удельных тепло-емкостей газа в пузырьке, р — плотность МЖ.

В статье [8] изложен анализ возможности управления процессом образования и отрыва пузырька пара при кипении намагничивающейся жидкости. Авторами делается заключение об увеличении частоты отрыва пузырьков пара при действии магнитного поля, которое связывается ими с магнитостатической силой, действующей на немагнитные включения (пузырьки пара) в МЖ. Обзор работ, посвященных процессам кипения намагниченной жидкости, приведен в [9]. В монографии [10] сообщается о стабилизации положения воздушной полости в столбике МЖ, заполняющей трубку, при помощи неоднородного магнитного поля. Однако ни в одной из упомянутых работ, помимо [6], даже не затрагивается вопрос о возмущении магнитного поля намагниченной МЖ с пульсирующим в ней газовым пузырьком.

В условиях эксперимента [6] воздушная полость, прижатая к донышку трубки пондеромо-торными силами магнитного поля, получена путем захвата порции воздуха с поверхности столбика МЖ управляемым потоком намагниченной жидкости. Подробное описание данного процесса приведено в работах [11—13]. При достижении критического значения давления происходит отделение воздушного пузырька от полости. Оказавшись за пределами "магнитного барьера", воздушный пузырек совершает в магнитном коллоиде упругие радиальные колебания, сопровождаемые возмущением магнитного поля. При условии однородности внешнего магнитного поля (поля в отсутствии пузырька) поле внутри сферического пузырька в квазистатическом приближении остается однородным. Магнитное поле вне пузырька, т.е. в МЖ, неоднородно. При радиальных колебаниях частицы жидкости периодически оказываются в магнитном поле, в котором их раньше не было. Переменная составляющая магнитной индукции, связанная со сферически-симметричным течением намагниченной МЖ, обуславливает модуляцию магнитного потока, пронизывающего катушку индуктивности, возбуждая в ней переменную ЭДС. Запасенная сжатой полостью упругая энергия превращается в процессе колебаний в другие виды энергии, в том числе в энергию электромагнитного поля. Намагниченная жидкость с пульсирующим в ней пузырьком становится генератором переменного магнитного поля, а катушка индуктивности является его индикатором.

В экспериментальном исследовании процесс отрыва от сдавливаемой пондеромоторными силами воздушной полости пузырьков в МЖ с различной вязкостью представляет интерес для физической акустики и магнитной гидродинамики, поскольку речь идет о новом физическом явлении. В прикладном аспекте возникает необходимость изучения условий, от которых зависят физико-технические особенности процесса: размер пузырьков, частота их образования, ширина распределения по размерам, моды возбуждаемых колебаний пузырьков, оптимальное значение намагниченности МЖ, зависимость размеров оторвавшихся пузырьков от вязкости жидкости, объема сдавливаемой магнитным полем полости.

В настоящей работе для расширения представлений о механизмах отрыва и пульсаций пузырьков, об особенностях сопутствующего возмущения магнитного поля представлены осциллограммы и массив значений частоты переменной составляющей магнитного поля на шести образцах МЖ с различной вязкостью.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ

Использовались шесть образцов МЖ, представляющих собой коллоидный раствор однодоменных наночастиц магнетита Fe3O4 в углеводородной (керосин, синтетическое масло, минеральное масло), кремнийорганической (полиэтилсилаксан) средах, стабилизированные олеиновой кислотой С8Н17СН=СН(СН2)7СО—ОН+ в различных жидкостях-носителях. Образцы МЖ-1, МЖ-2, МЖ-3, МЖ-4 и МЖ-5 синтезированы в проблемной научно-исследовательской лаборатории прикладной феррогидродинамики ИГЭУ (г. Иваново), образец МЖ-6 получен на кафедре нанотехнологий и инженерной физики ЮЗГУ (г. Курск). При подборке образцов МЖ для решения поставленной задачи учитывалась их высокая однородность и стабильность в течение длительного времени. Такие коллоиды часто выбираются в качестве объекта исследования и широко используются в прикладных целях [14].

Применяемые обозначения: р — плотность, П — пластическая вязкость, х — начальная магнитная восприимчивость, М — намагниченность насыщения. Магнитные параметры х и М вычисляются по кривым намагничивания М(Н), полученным баллистическим методом. При этом параметр X определяется по наклону начального (прямолинейного) участка кривой М(Н); намагниченность насыщения М находится путем линейной аппроксимации зависимости М(Н-1) в окрестности Н-1 ~ 0 и экстраполяции полученной прямой до пересечения с осью ординат [15]. Плотность р измерена с использованием пикнометра. Измерение пластической вязкости п проведено в лаборатории феррогидродинамики ИГЭУ по ГОСТ 26581-85 на ротационном вискозиметре "RHEOTEST RN 4.1" при температуре 30°С. Основные физические параметры исследуемых образцов МЖ - р, х, М , полученные при температуре 31 ± 0.2°С, представлены в табл. 1. В этом же интервале температур получен массив экспериментальных данных, обсуждаемых в настоящей статье.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

На рис. 1 дано схематическое изображение функционального узла экспериментальной установки, совмещенного с сеткой изолиний напряженности магнитного поля. В состав функционального узла входят: 1 — стеклянная трубка с внутренним диаметром 13.5 мм, 2 — МЖ, 3 — кольцевой магнит, 4 — катушка индуктивности, 5 — измерительный блок, Подробное описание экспериментальной установки приведено в [6]. Числа на указателях к изолиниям представляют собой значения напряженности магнитного поля, выраженные в МА/м. Совмещение функционального узла с сет-

Таблица 1. Физические параметры исследуемых образцов МЖ

Образец МЖ Жидкость-носитель р, кг/м3 П, Па с X М, кА/м

МЖ-1 Керосин 1252 0.012 2.82 35

МЖ-2 ПЭС-2 1385 0.125 2.46 34

МЖ-3 Минеральное углеводородное масло 1282 0.368 2.63 33.5

МЖ-4 ПЭС-4 1405 0.630 2.56 34

МЖ-5 Синтетическое углеводородное масло 1290 1.110 2.35 33.5

МЖ-6 Керосин 1315 0.005 3.4 38

кой изолиний напряженности магнитного поля играет самостоятельную роль для интерпретации некоторых результатов.

Перед началом опыта в трубку с донышком заливается МЖ до определенной высоты. Захват воздушной полости магнитогидродинамическим потоком производится на малой скорости перемещения кольцевого магнита вниз к открытой поверхности жидкости при помощи электромеханического "лифта" на базе малогабаритной поворотной установки, сочлененной с винтовой передачей. С целью получения максимального объема воздушной полости в проводимых опытах кольцевой магнит перемещался со скоростью 0.1 мм/с. Объем "захваченной" воздушной полости V определяется по приращению высоты столбика МЖ Ак в трубке с внутренним диаметром й: У& = БАк. Так, при й = 13.5 мм, Б = 1.4 х 10-4 м2, Ак = 9 х 10—3 м получаем У& = 13 х 10-7 м3 [11-13].

Дальнейшее опускание магнита приводит к соприкосновению воздушной полости с донышком трубки. Прессинг полости, прижатой к донышку трубки неоднородным магнитным полем, производится на скорости перемещения магнита, равной 0.01 мм/с. При достижении порогового значения давления газа в полости происходит отделение пузырька газа. Под действием результирующей трех сил - пондеромоторной силы неоднородного магнитного поля, выталкивающей (архимедово

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком