АВТОКОЛЕБАНИЯ В КОНВЕКЦИИ МАГНИТНОЙ НАНОЖИДКОСТИ
Г. Л. Лосев, А. А. Божко, Г. Ф. Путин, А. С. Сидоров
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь
Магнитные наножидкости представляют собой стабилизированные коллоидные дисперсии ферромагнетиков (средний размер частиц около 10 нм) в жидкости-носителе и являются перспективными теплоносителями в энергетике, в космических, микро - и нано-технологиях. Однако при разработке теплообменных устройств необходимо понимать и учитывать, что в магнитных жидкостях на основе углеводородов, помимо сложного состава самой жидкости-носителя, состоящей из молекул разной массы и величины, присутствуют агрегаты, включающие десятки частиц, и свободные молекулы поверхностно-активного вещества. Как показали эксперименты, на теплоперенос, конвективную устойчивость и структуру течений в магнитной наножидкости существенное влияние оказывают неоднородности плотности, которые могут индуцироваться вследствие седиментации и термодиффузии магнитных частиц и агрегатов, термодиффузионного разделения составляющих керосина и олеиновой кислоты [1−4].
В работе исследован автоволновой режим первичного термогравитационного течения в обогреваемом сбоку вертикальном слое магнитной жидкости и влияние внешнего магнитного поля на его устойчивость. Эксперименты проводились с вертикальным слоем магнитной жидкости толщиной 6.0 ± 0.5 мм и размерами сторон 180 мм и 375 мм. Для визуализации течений использовалась инфракрасная камера, регистрировавшая распределение поля температур на поверхности текстолитовой стенки. В опытах использовалась магнитная жидкость с плотностью 1.44×103 кг/м3, динамической вязкостью 7.66×10-3 кг/(м∙с), числом Прандтля 53, начальной магнитной восприимчивостью 2.88, намагниченностью насыщения 43 кА/м и средним размером частиц магнетита 10 нм. Магнитное поле, напряженностью до 35 кА/м, создавалось при помощи катушек Гельмгольца.
Первичное конвективное течение в вертикальном обогреваемом сбоку слое наножидкости представляет собой вихрь, подъемное движение в котором происходит вблизи горячей стенки, опускное - вблизи холодной. В опытах было обнаружено формирование на фоне основного потока дополнительного вихря в нижней области слоя. Добавочный вихрь возникал и затем размывался потоком с характерным периодом около двух часов в течение нескольких недель. При наложении внешнего магнитного поля происходило разрушение дополнительного вихря, и автоколебательный режим течения сменялся термомагнитной валиковой конвекцией [5].
Причиной автоколебаний в вертикальном подогреваемом сбоку слое может являться образование неоднородностей концентрации по высоте слоя и их последующее спонтанное конвективное перемешивание. Для определения наиболее важных механизмов автоколебаний в магнитных коллоидах в настоящее время выполняются исследования с магнитной жидкостью на основе предельного углеводорода (из керосиновой фракции нефти), очищенной от свободных молекул олеиновой кислоты.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № .
1. Путин Г. Ф. Экспериментальное исследование влияния барометрического распределения на течения ферромагнитных коллоидов// Материалы 11-го Рижского совещания по магнитной гидродинамике. Рига. 1984. Т. 3. С. 15−18.
2. Bozhko A. A., Putin G. F. Heat transfer and flow patterns in ferrofluid convection // Magnetohydrodynamics. 2003. Vol. 39. № 2. P. 147−168.
3. Bozhko A. A., Tynjаla T. Influence of gravitational sedimentation of magnetic particles on ferrofluid convection in experiments and numerical simulations // J. Magn. Magn. Mater. 2005. Vol. 289. P. 281−285.
4. Bozhko A. A., Putin G. F., Sidorov A. S., Suslov S. A. Convection in a vertical layer of stratified magnetic fluid // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49. №. 1. P. 143-152.
5. Bozhko A. A., Putin G. F., Sidorov A. S., Suslov S. A. Thermomagnetic convective flows in a vertical layer of ferrocolloid: Perturbation energy analysis and experimental study // Physical Review E. 2012. V. 86. 016301.
AUTO-OSCILLATIONS IN CONVECTION OF MAGNETIC NANOFLUID
G. L. Losev, A. A. Bozhko, G. F. Putin, A. S. Sidorov
Perm State University
Magnetic nanofluids are stable colloidal dispersions of ferromagnetic (average particle size of about 10 nm) in a carrier fluid and promising heat-carrier in power the industry, space, micro- and nanotechnologies. However, the design of heat exchange devices requires the considering of complex composition of magnetic nanofluids based on hydrocarbons. The carrier liquid consisting of molecules with different masses, there are aggregates composed of tens particles and free molecules of a surfactant. As experiments shown the heat transfer, convective stability and flow structures in the magnetic nanofluids are strongly influenced by the density in homogeneity, which can be induced due to sedimentation and thermodiffusion of magnetic particles and aggregates, the thermal diffusion separation of components of kerosene and oleic acid [1-4].
The purpose of present research is the investigation of auto-oscillation regime of primary thermogravitational flow in vertical layer of magnetic nanofluid heated on one side and the influence of external magnetic field on its stability. Experiments were performed with vertical layer of magnetic fluid dimensions 6.0×180×375 mm3. Temperature gradient on the layer is created by aluminum heat exchanger and free textolite side of layer. We used thermal camera to observe temperature field on surface of textolite side. Parameters of magnetic fluid are density 1.44×103 kg/m3, viscosity 7.66×10-3 kg/(m·s), Prandtl number 53, initial susceptibility 2.88, specific magnetism 43 kA/m and average dimension magnetic particles 10 nanometers.
Primary convective flow in a vertical layer heated side nanofluids represents a vortex with lifting movement near the hot wall and sliding − near the cold wall. The formation of additional roll on the background of the base flow in the lower part of layer has been found in experiments. Secondary vortices appear and then are eroded by stream with a characteristic period of about an hour for a few weeks. When an external magnetic field was applied the destruction of additional vortex and replacement of the auto-oscillating flow regime by thermomagnetic roll convection [5] were observed.
The oscillations reason in a vertical layer heated laterally may be the formation of density inhomogeneities in height of layer and their subsequent spontaneous convective mixing. To determine the most important mechanisms of auto-oscillations in the magnetic colloids the follow study will be performed with magnetic fluid based on saturated hydrocarbon (kerosene fraction of crude oil) purified from the free molecules of oleic acid.
The reported study was partially supported by the Russian Foundation for Basic Research, research project No. .
1. Putin G. F. Experimental research influence of barometric distribution on flows of ferromagnetic colloids// Proceedings of the 11th meeting of the Riga on magnetohydrodynamics. Riga. 1984. Vol. 3. P. 15−18.
2. Bozhko A. A., Putin G. F. Heat transfer and flow patterns in ferrofluid convection // Magnetohydrodynamics. 2003. Vol. 39. № 2. P. 147−168.
3. Bozhko A. A., Tynjаla T. Influence of gravitational sedimentation of magnetic particles on ferrofluid convection in experiments and numerical simulations // J. Magn. Magn. Mater. 2005. Vol. 289. P. 281−285.
4. Bozhko A. A., Putin G. F., Sidorov A. S., Suslov S. A. Convection in a vertical layer of stratified magnetic fluid // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49. №. 1. P. 143-152.
5. Bozhko A. A., Putin G. F., Sidorov A. S., Suslov S. A. Thermomagnetic convective flows in a vertical layer of ferrocolloid: Perturbation energy analysis and experimental study // Physical Review E. 2012. V. 86. 016301.
