ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

В МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ.

Режимы охлаждения намагничивающегося шара в магнитных жидкостях

в приложенном магнитном поле.

Гогосов В. В. ¹ , Искандеров Х. Д. ² , Кирюшин В. В. ¹ , Симоновский А. Я. ²

1. Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Российская Федерация, Москва, 117192, Мичуринский проспект, д. 1.

2. Ставропольская сельскохозяйственная академия, Российская Федерация, г. Ставрополь, 3554014, Зоотехнический переулок, д. 10.

В настоящей работе описываются эксперименты по охлаждению намагничивающегося шара диаметром 44 мм в магнитных жидкостях с различными свойствами в приложенном магнитном поле равном 68 кА / м. Изучалось влияние размера диаметра шара, свойств магнитных жидкостей, интенсивности магнитного поля и температуры охлаждения шара на режимы охлаждения.

Было обнаружено, что в окрестностях поверхности шара, где полярный угол q, отсчитываемый от направления магнитного поля, близок к нулю или 180° (в окрестности «полюсов» шара) происходит выпадение осадка соприкасающейся с горячей поверхностью шара расслоившейся магнитной жидкостью на поверхность шара. В области поверхности шара, где полярный угол q близок к 90° (в области «экватора»), выпадения осадка не происходит.

Нами было найдено, что кипение магнитной жидкости в различных точках поверхности шара происходит в различных режимах и зависит от температуры охлаждения шара, величины и направления магнитного поля и величины диаметра шара.

Исследовалось охлаждение шаров диаметром 19, 14,2 и 8 мм в приложенных магнитных полях, равных 0, 39, 68, 122 и 170 кА / м в разбавленной магнитной жидкости. Было показано, что интенсивность охлаждения существенно зависит от размеров шаров и величины магнитного поля. Показано, что охлаждение шара в концентрированных и разбавленных магнитных жидкостях происходит неодинаково.

Предлагается теоретическое объяснение налипания расслоившейся магнитной жидкости на поверхность намагничивающегося шара. Приводятся формулы для распределения давления в магнитной жидкости вблизи поверхности шара. Давление прижимает магнитную жидкость к поверхности шара и зависит от намагниченности магнитной жидкости, величины и направления магнитного поля по отношению к поверхности шара.

Нами было показано, что давление, прижимающее жидкость к поверхности шара, максимально в окрестности «полюсов» шара и минимально в окрестности «экватора». В результате в окрестности «полюсов» жидкость соприкасается с горячей поверхностью шара, расслаивается на ней и выпадает в виде осадка на поверхность шара. В окрестности «экватора» сил давления недостаточно для того, чтобы прижать магнитную жидкость к поверхности шара. Между жидкостью и шаром находится паровая прослойка. В результате жидкость на соприкасается с горячей поверхностью шара, не расслаивается и не выпадает в осадок в окрестности «экватора».

Теплообмен между магнитной жидкостью и шаром максимален в окрестности «полюсов» и минимален в окрестности «экватора» шара.

Охлаждение цилиндра в магнитных жидкостях изучалось в работах [1 – 4]. Было показано, что характер теплопереноса существенно зависит от величины и направления магнитного поля и температуры охлаждения цилиндра. Теоретически и экспериментально моделировалось образование воздушных полостей при погружении цилиндра в магнитную жидкость в магнитном поле. Некоторые вопросы, касающиеся влияния магнитного поля на охлаждение шара в магнитных жидкостях, рассматривались в работе [5].

Выражаем благодарность РФФИ за поддержку работы по гранту № 96 – 01 – 01747.

Библиографический список.

1. Гогосов В. В., Симоновский А. Я. О локально-неоднородном охладлении при закалке в магнитной жидкости // Известия АН СССР, Серия Механика жидкости и газа, 1989, № 2, С. 3.

2. Gogosov V. V., Simonovskiy A. Ya., Smolkin R. D. Hydrodynamics of magnetic fluids // J. Magn. Magn. Mat., 1980, V. 85, № 1 – 3, P. 227.

3. Гогосов В. В. Кирюшин В. В., Симоновский А. Я. Управление тепло- и массопереносом в магнитных жидкостях. I. Распределение температуры при охлаждении цилиндра в магнитной жидкости // Магнитная гидродинамика, 1994, Т. 30, № 2, С. 163 – 170.

4. Гогосов В. В. Кирюшин В. В., Симоновский А. Я. Управление тепло- и массопереносом в магнитных жидкостях. II. Распределение термических напряжений при охлаждении цилиндра в магнитной жидкости // Магнитная гидродинамика, 1994, Т. 30, № 2, С. 171 – 178.

5. Gogosov V. V., Iskanderov Kh. D., Kiryushin V. V., Simonovsliy A. Ya. New results of heat and mass transfer in magnetic fluids // Proc. Intern. Symp. On Microsystems Intelligent Materials and Robots. Sendai, Japan, 1995, P. 279.

Эксперименты по охлаждению поверхности намагничивающегося шара в магнитных жидкостях. Теоретическое описание распределения температуры внутри шара.

Гогосов В. В. ¹ , Искандеров Х. Д. ² , Кирюшин В. В. ¹ , Симоновский А. Я. ²

1. Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Российская Федерация, Москва, 117192, Мичуринский проспект, д. 1.

2. Ставропольская сельскохозяйственная академия, Российская Федерация, г. Ставрополь, 3554014, Зоотехнический переулок, д. 10.

С помощью термопар, расположенных в различных точках поверхности намагничивающегося шара охлаждаемого в магнитной жидкости, измерялось поле температур на поверхности шара в магнитных полях различной интенсивности.

Показано, что распределение температуры на поверхности шара неоднородно и существенно зависит от величины и направления внешнего магнитного поля по отношению к внешней нормали к поверхности.

Найдено, что наиболее интенсивное охлаждение происходит в окрестностях поверхности шара, где магнитная жидкость прижимается к поверхности шара силами давления. Это точки поверхности шара, где полярный угол q, отсчитываемый от направления магнитного поля, равен нулю или 180°. Наименьшая интенсивность охлаждения наблюдается в области «экватора», где силы, прижимающие жидкость к поверхности невелики и поверхность отделена от жидкости слоем пара, полярный угол стремится к 90°.

Численно решена задача о распределении температуры внутри шара. В качестве граничных условий использовались найденные в эксперименте значения температуры в шести точках поверхности шара и экстраполяция этих данных на другие точки поверхности.

Приведены графики распределения температуры внутри шара в зависимости от радиуса r и полярного угла q. Найдено, что зависимость температуры от радиуса r за время охлаждения порядка 0,1 секунды быстро сглаживается и уже на расстоянии 1 мм поверхности шара выходит на постоянную температуру, не зависящую от угла q, при приближении к центру шара. Это подтверждается измерениями датчиков температуры, установленных внутри шара, и численным решением задачи о распределении температуры в зависимости от радиуса r.

Найдено, что профиль температуры при q, стремящемся к 90°, выходит на одну и ту же температуру для разных r.

Некоторые задачи по охлаждению намагничивающегося шара в различных магнитных жидкостях при наличии приложенного магнитного поля исследовались в статьях [1, 2].

Охлаждение цилиндра в магнитных жидкостях изучалось в работах [3 – 6]. Расчёты распределения температуры внутри цилиндра при его охлаждении в магнитной жидкости приведены в статье [6].

Выражаем благодарность РФФИ за поддержку работы по гранту № 96 – 01 – 01747.

Библиографический список.

1. Гогосов В. В., Искандеров Х. Д., Кирюшин В. В., Симоновский А. Я. Влияние магнитного поля и типов магнитных жидкостей на режимы охлаждения намагничивающегося шара в магнитных жидкостях // Тез. Докл. VII Международной конференции по магнитным жидкостям, Плёс, 1996.

2. Gogosov V. V., Iskanderov Kh. D., Kiryushin V. V., Simonovsliy A. Ya. New results of heat and mass transfer in magnetic fluids // Proc. Intern. Saymp. On Microsystems Intelligent Materials and Robots. Sendai, Japan, 1995, P. 279.

3. Гогосов В. В., Симоновский А. Я. О локально-неоднородном охлаждении при закалке в магнитной жидкости // Известия АН СССР, Серия Механика жидкости и газа, 1989, № 2, С. 3.

4. Gogosov V. V., Simonovskiy A. Ya., Smolkin R. D. Hydrodynamics of magnetic fluids // J. Magn. Magn. Mat., 1980, V. 85, № 1 – 3, P. 227.

5. Гогосов В. В. Кирюшин В. В., Симоновский А. Я. Управление тепло- и массопереносом в магнитных жидкостях. I. Распределение температуры при охлаждении цилиндра в магнитной жидкости // Магнитная гидродинамика, 1994, Т. 30, № 2, С. 163 – 170.

6. Гогосов В. В. Кирюшин В. В., Симоновский А. Я. Управление тепло- и массопереносом в магнитных жидкостях. II. Распределение термических напряжений при охлаждении цилиндра в магнитной жидкости // Магнитная гидродинамика, 1994, Т. 30, № 2, С. 171 – 178.

Теплообмен пластины с магнитной жидкостью. Фигуры равновесия свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности пластины.

Гогосов В. В. ¹ , Гришанина О. А. ² , Кирюшин В. В. ¹ , Симоновский А. Я. ²

1. Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Российская Федерация, Москва, 117192, Мичуринский проспект, д. 1.

2. Ставропольская сельскохозяйственная академия, Российская Федерация, г. Ставрополь, 3554014, Зоотехнический переулок, д. 10.

Экспериментально и теоретически изучены равновесные формы свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности ферромагнитной пластины, помещённой в однородное внешнее магнитное поле.

Ферромагнитная пластина устанавливалась вертикально в немагнитной цилиндрической кювете в полюса электромагнита. К поверхности пластины при включённом магнитной моле величиной 83 кА / м подавались последовательно увеличивающиеся порции магнитной жидкости. Равновесные формы свободной поверхности магнитной жидкости регистрировались фотокамерой. Намагниченность насыщения магнитной жидкости составляла 20,4 кА / м. равновесные конфигурации свободной поверхности магнитной жидкости изучались для различной ориентации пластины по отношению к направлению внешнего магнитного поля и в зависимости от размеров самой пластины.

Показано, что характер распределения магнитной жидкости вблизи поверхности пластины существенно зависит орт размера пластины и от ориентации пластины во внешнем магнитном поле. На рисунках 1 и 2 изображены наблюдаемые в экспериментах картины равновесия свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности ферромагнитной пластины в аксонометрической проекции. Позицией 1 обозначен верхний видимый торец пластины. Позицией 2 обозначена омывающая пластину магнитная жидкость. На рисунке 1 представлена характерная картина распределения свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности пластины с соотношением длины l к толщине t меньше 10.

Видно, что в объёме магнитной жидкости, омывающей поверхность пластины, образуются две воздушные полости.

Полости представляют собой конусообразные вертикальные воздушные воронки, сужающиеся в направлении силы тяжести. Располагаются воронки по обе стороны пластины вдоль оси симметрии плоскости пластины.

На рисунке 2 представлена характерная картина распределения магнитной жидкости вблизи поверхности пластины с соотношением длины l к толщине t: l / t >> 10. Видно, что в объёме магнитной жидкости образуются четыре воздушные полости.

Как и в случае пластины с l / t < 10 представляют собой конусообразные вертикальные воздушные воронки, сужающиеся в направлении силы тяжести. Воронки расположены симметрично относительно оси симметрии плоскости пластины. Однако прилегают они не к центральной части поверхности пластины, а сформированы вблизи её торцов.

Эксперименты показали, что при расположении плоскости пластины под углом 45° по отношению к направлению внешнего магнитного поля в объёме магн6итной жидкости, омывающей пластину, возникают только две полости при любом соотношении длины к толщине пластины. Расположены эти полости у торцов пластины по одной полости на каждую плоскость пластины.

Проводились эксперименты по моделированию распределения силовых линий магнитного поля вблизи поверхности пластины. Для визуализации силовых линий магнитного поля применялись магниточувствительные эмульсии, представляющие собой высокодисперсную взвесь капель магнитной жидкости в прозрачном наполнителе. Эксперименты показали, что для пластины с соотношением l / t < 10 вблизи плоскостей пластины действуют большие градиенты магнитного поля, направленные к полюсам (торцам пластины), что и приводит к возникновению двух полостей в объёме магнитной жидкости, омывающей пластину. В случае пластин с соотношением l / t >> 10 градиенты магнитного поля возникают лишь в непосредственной близости к торцам пластины. Вблизи центральной части плоскостей пластины магнитное поле однородно. Такой характер распределения неоднородности магнитного поля и приводит к образованию воздушных полостей вблизи торцов пластины и к свободному омыванию жидкостью основной части поверхности плоскостей пластины.

Проводился теоретический анализ формы свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности пластины. Найдено уравнение, описывающее форму воздушных полстей в объёме магнитной жидкости вблизи поверхности пластины с соотношением l / t < 10. Это уравнение имеет вид:

Здесь X и Y – координаты точек свободной поверхности магнитной жидкости в системе координат, в которой длина пластины l = 1, H – магнитное поле, const – константа, связанная с объёмом магнитной жидкости вблизи поверхности пластины.

Теплообмен пластины с магнитной жидкостью. Распределение температуры в пластине, охлаждаемой в магнитной жидкости.

Гогосов В. В. ¹ , Гришанина О. А. ² , Кирюшин В. В. ¹ , Симоновский А. Я. ²

1. Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Российская Федерация, Москва, 117192, Мичуринский проспект, д. 1.

2. Ставропольская сельскохозяйственная академия, Российская Федерация, г. Ставрополь, 3554014, Зоотехнический переулок, д. 10.

Эксперименты показали, что при погружении ферромагнитной пластины в объём магнитной жидкости, в котором изначально магнитное поле было однородным, вблизи поверхности пластины в объёме жидкости образуются воздушные полости. Количество воздушных полостей, а также их расположение вблизи поверхности пластины зависит от соотношения длины l к толщине пластины t. Для пластины с соотношением l / t < 10 в объёме магнитной жидкости, омывающей поверхность пластины, образуются две воздушные полости. Они расположены по обе стороны пластины вдоль оси симметрии плоскости пластины. Полости представляют собой конусообразные вертикальные воздушные воронки, сужающиеся в направлении силы тяжести. Для пластины с соотношением l / t >> 10 в объёме магнитной жидкости, омывающей поверхность пластины, образуются четыре воздушные полости, аналогичные по форме, но расположенные вблизи торцов пластины. Указанный характер омывания магнитной жидкости поверхности пластины должен приводить к неоднородному отводу тепла и к неоднородному распределению температуры в объёме пластины в процессе охлаждения.

В настоящей работе проводилось экспериментальное и теоретическое изучение процесса неоднородного охлаждения ферромагнитной пластины в магнитной жидкости. Охлаждению подвергались пластины, выполненные из ферромагнитной стали с соотношением l / t < 10 и l / t > 10. На поверхности охлаждаемых пластин устанавливались спаи хромель-копелевых термопар, показания которых во время охлаждения пластины в магнитной жидкости регистрировались на фотобумагу шлейфового осциллографа. Были определены температурные интервалы формирования паро-воздушных полостей, возникающих в результате кипения магнитной жидкости при соприкосновении с нагретой до высокой температуры поверхностью пластин.

Эксперименты проводились следующим образом. Пластина подвергалась нагреву до температуры 700° и охлаждалась в объёме магнитной жидкости с намагниченностью насыщения 20,4 кА / м в полюсах электромагнита. Охлаждение пластины прерывалось путём быстрого удаления пластины из объёма жидкости при достижении температуры поверхности пластины последовательно 600, 500, 400, 300, 200 и 100°C. Магнитная жидкость, вступая в контакт с поверхностью металла, оставляет на поверхности тёмный осадок. В результате прерывания охлаждения при различных температурах удалось наблюдать на поверхности пластины вертикальные полоски, где пластина, погружённая в магнитную жидкость, не вступила в контакт с ней, что объясняется возникновением вблизи этих участков поверхности пластины паро-воздушных полостей. Одновременно по характеру осадка магнитной жидкости на пластине можно было определить, в каких температурных интервалах протекает плёночное, переходное и пузырьковое кипение магнитной жидкости.

Оказалось, что плёночное кипение магнитной жидкости происходит в интервале температур 400 – 700°С. Переходное кипение магнитной жидкости происходит в интервале температур 200 – 400°С. В интервале температур от 200 до 100°С происходит пузырьковое кипение магнитной жидкости. Это заключение было сделано по следующим причинам. В интервале температур 400 – 700°С осадок расслоившейся магнитной жидкости на поверхности пластины непрочно связан с поверхностью пластины и легко удаляется простым встряхиванием. Это связано с тем, что в этом интервале температур жидкость от поверхности пластины отделена слоем пара. Время контакта жидкости с поверхностью в момент погружения пластины в жидкость мало. Осадок не успевает прочно адгезировать с поверхностью металла. В интервале температур 200 – 400°С осадок, случайно расположенный пятнами, прочно входит в контакт с поверхностью пластины, что является характерным признаком переходного кипения расслаивающейся жидкости. Наконец, в интервале температур 100 – 200°С в местах, где жидкость омывала поверхность пластины, осадок расслоившейся магнитной жидкости испещрен кавернами от формирующиеся паровых пузырьков, что является характерным признаком пузырькового кипения магнитной жидкости.

Во всех указанных температурных интервалах в месте возникновения паро-воздушных полостей на поверхности пластины жидкость не вступала в контакт с поверхностью металла.

В результате экспериментов, в которых охлаждение пластины проводилось непрерывно от температуры 500°С до 100°С с помощью термопар, установленных на поверхности пластины, были получены температурно-временные кривые охлаждения различных точек поверхности пластины.

Измерения показали, что для пластины с соотношением l / t < 10 наиболее быстро происходит охлаждение точек, расположенных на вертикальных торцах пластины. Наиболее медленное охлаждение наблюдается в точках поверхности пластины, расположенных на вертикальной оси симметрии плоскости пластины. Для пластины с соотношением l / t >> 10 из-за наличия паро-воздушных полостей вблизи торцов пластины наиболее интенсивно охлаждаются точки, расположенные на вертикальной оси симметрии плоскостей пластины. Наиболее медленно охлаждаются точки поверхности пластины, расположенные в объёме паро-воздушных полостей.

Нами была решена задача теплопроводности по построению неоднородного нестационарного поля температур охлаждаемых пластин. Решение уравнения теплопроводности проводили методом конечных элементов. Граничными условиями служили значения температур точек поверхности пластины, полученные из эксперимента в виде температурных кривых охлаждения различных точек поверхности пластины, в которых в ходе эксперимента были установлены спаи термопар. Определены локальные значения величин тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи в различных точках поверхности пластины в различные моменты времени охлаждения.