Экспериментальное исследование течения магнитной жидкости в бегущем магнитном поле

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ  ТЕЧЕНИЯ 

МАГНИТНОЙ  ЖИДКОСТИ  В  БЕГУЩЕМ  МАГНИТНОМ  ПОЛЕ

 

Кириллов И. Р. 1 , Огородников А. П. 1 , Остапенко В. П. 1 ,

Ионов А. В. 2 , Тихомиров Ю. М. 2

 

1.       Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова, Российская Федерация, Санкт-Петербург.

2.       Центральный научно-исследовательский институт имени А. Н. Крылова, Российская  Федерация, Санкт-Петербург.

 

Свойства магнитных жидкостей (МЖ) [1] открывают большие перспективы использова­ния их в разработке технологий и в создании принципиально новых устройств в различных областях техники. Одним из таких направлений, использующих движение магнитных жид­костей во вращающихся [2, 3] или бегущих магнитных полях [4], является создание различ­ного рода электромагнитных устройств, служащих для перемещения МЖ.

В настоящей работе изложены некоторые результаты исследования влияния бегущего магнитного поля на МЖ с открытой поверхностью и в замкнутом объёме.

Модель насоса состояла из двух линейных индукторов плоского типа и двух линейных каналов: канал с открытой поверхностью [5] и канал закрытого типа. Трёхфазный индуктор состоял из магнитопровода шириной 40 мм и обмотки. Канал открытого типа шириной 40 мм, высотой 15 мм был изготовлен из оргстекла. Канал закрытого типа шириной 30 мм и вы­сотой 6 мм был изготовлен из нержавеющей стали толщиной толщиной 0,5 мм диаметром 12 мм. В качестве рабочего тела использовалась магнитная жидкость на основе тетрадекана с концентрацией ферромагнитных частиц (магнетита) 20%. Температура магнитной жидкости в экспериментах не превышала 30°С.

Испытания модели проведены при схемах соединения обмотки с числом пар полюсов р = 6,  р = 3 и величинах полюсного деления t = 37,5 и t = 75 мм для двух случаев питания обмотки:

-            трёхфазным напряжением с частотой f = 2; 50; 400 Гц;

-            импульсами тока в соответствии с чередованием фазных зон.

Результаты испытаний свелись к следующему:

1)      Канал с открытой поверхностью. Для обеих схем соединения обмотки при включении напряжения на обмотку жидкость втягивается в рабочую область индуктора, её уровень становится выше, чем в остальной части канала вне зоны индуктора. На поверхности жидкости заметны стоячие волны с выступами и впадинами. Характер распределения их повторяет огибающую распределения индукции магнитного поля по длине индуктора. При низкой частоте 2 Гц в канале в зоне индуктора и вне её не наблюдается заметного движения жидкости. При f = 50 Гц на поверхности жидкости кроме стоячих волн появляются бегущие волны в направлении движения магнитного поля. Длина их составляет 1/7 от t, то есть можно предположить, что движущиеся по поверхности волны генерируются за счёт седьмой гармоники основного магнитного поля. Максимальная скорость течения на поверхности МЖ в зоне индуктора в этом режиме при IФ = 3 А со­ставляет 1 см / с, при этом скорость течения вне индуктора на порядок меньше. При уве­личении тока IФ > 3 А регулярность течения по поверхности канала в зоне индуктора на­рушается. На поверхности жидкости появляются продольные гребни, жидкость как бы вскипает. При этом прекращается и её упорядоченное движение по каналу. При f = 400 Гц на поверхности магнитной жидкости кроме стоячих волн, появляются, начиная от входа, продольные чётко сформированные гладкие гребни, длина которых увеличивается с ростом тока в обмотке. На поверхности жидкости визуально не наблюдается движение бегущих волн от высших гармоник, но в то же время имеет место интенсивное движение жидкости на поверхности в сторону движения магнитного поля. Максимальная скорость на поверхности достигала 15 см / см при токе IФ = 7,6 А, в то же время скорость вне зоны индуктора была 1,5 см / c. Этот факт может происходить только в тонком поверхностном слое жидкости. В случае питания обмоток индуктора импульсами с частотой f = 2 Гц по длине канала образуются бегущие в направлении поля волны боьшой амплитуды магнитной жидкости. Максимальная скорость течения в контуре была 6,5 см / c при токе в обмотке IФ = 10 А. при импульсном питании на частотах 50 Гц и 400 Гц течения жидко­сти в контуре не наблюдается.

2)      Канал закрытого типа. При f = 50 Гц и включении одного нижнего индуктора максимальные перепад давления составил 12 мм водяного столба при IФ = 20 А. При         f = 400 Гц, IФ = 27 А (B = 0,103 Тл) модель развивала давление 14 мм водяного столба при скорости течения в трубопроводе V = 4 см / с. Зависимость развиваемого давления от тока линейная. Анализ результатов показывает, что при потребляемой мощности P1 = 760 Вт из сети в магнитную жидкость передаётся P1 = 50 Вт, то есть 7 % от подведённой мощности.

Аналогичные испытания, проведённые с этим же каналом, но с двухсторонним индукто­ром показали, что развиваемое насосом давление снижается до нуля, а течение жидкости по контуру прекращается.

 

Выводы.

 

1.      Для движения магнитной жидкости в замкнутых объёмах могут быть использованы уст­ройства с неоднородным бегущим магнитным полем, однако их эффективность коэффи­циента полезного действия и cos j будет низкой.

2.      Гидродинамическое движение жидкости в каналах со свободной поверхностью в бегу­щем магнитном поле реализуется в тонком поверхностном слое жидкости за счёт высших пространственных гармоник магнитного поля. Импульсное питание фазных зон обмотки низкой частотой позволяет создать электромагнитную силу в слое МЖ большей тол­щины, однако движение жидкости имеет при этом пульсирующий характер. 

 

Литература.

 

1.      Баштовой В. Г. Введение в термомеханику магнитных жидкостей, ИВТАН, М. 1985.

2.      Вилнитис А. Я. // Магнитная гидродинамика, 1978, № 4, С. 25 – 29.

3.      Лебедев А. В., Пшеничников А. Ф. // Магнитная гидродинамика, 1991, № 1, С. 7 – 12.

4.      Глазов О. А. // Глазов О. А. Магнитная гидродинамика, 1973, № 3, C. 125 – 131.

5.      Ионов А. В. Техническая акустика, 1978, Т. III, выпуск 1 – 2, С. 42 – 45.