ДВИЖЕНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В НЕОДНОРОДНОМ

ВРАЩАЮЩЕМСЯ ПОЛЕ КОАКСИАЛЬНЫХ ИНДУКТОРОВ

Тихомиров Ю. М.

Центральный научно-исследовательский институт имени А. Н. Крылова.

Российская Федерация, Санкт-Петербург, 196158, Московское шоссе, дом 44.

Телефон: 7 – (812) – 291 – 99 – 64; телефакс: 7 – (812) – 127 – 93 – 23.

E – mail: Albert@krylov.spb.su, Krylspb@sovam.com

Экспериментальные и теоретические исследования вращательного движения магнитных жидкостей (МЖ) проводятся на протяжении многих лет [1]. Наиболее показательным примером такого рода является вращение МЖ внутри цилиндрического индуктора вращающегося магнитного поля [2]. Большое разнообразие применяемых типов МЖ и магнитных систем усложняет физическую картину наблюдаемых в экспериментах явлений, определяет противоречивость их теоретического объяснения, и, иногда, затрудняет полезное применение этих эффектов, например, в устройствах транспортирования МЖ. В случае неконцентрированных МЖ, для которых устойчиво получается вращение, можно, видимо, учитывать только две основные компоненты объёмной силы, вызывающей макродвижение МЖ. Первая определяется пространственной неоднородностью внешнего магнитного поля H, намагниченностью среды М и пропорциональна (МÑ)Н, что даёт объёмную силу в направлении возрастания или движения градиента вращающегося поля. Вторая возникает при гидродинамическом взаимодействии вращающихся под действием поля ферромагнитных частиц друг с другом через несущую жидкость и проявляется при заметной пространственной неоднородности такого вращения.

В данной работе внимание сосредоточено на исследованиях второй компоненты объёмной силы. Это связано с тем, что приведение в движение МЖ только за счёт первой составляющей, связано с необходимостью индуцирования сильных полей в сложных магнитных системах с суперпозицией переменного и постоянного полей [3]. С другой стороны, высказывавшиеся мнения о недостаточности одной только неоднородности вращающегося поля (определяет вторую компоненту) для возникновения макродвижения [4] не подтверждаются экспериментально. Это позволяет получать вращение МЖ в устройствах, где обеспечивается преобладание второй компоненты в сравнительно слабых магнитных полях.

Для создания требуемой неравномерности магнитного поля предлагается схема с коаксиально цилиндрическим индукторами. Магнитная жидкость движется в зазоре между внутренним и внешним индукторами под действием вращающегося неоднородного поля каждого из них. Частным случаем этой магнитной системы является схема с одиночным кольцевым индуктором, использовавшаяся в большинстве подобных работ. Режим согласованной работы индукторов наступает в том случае, когда устанавливается течение МЖ, в среднем, в одну сторону. В других режимах течение может расщепляться на противоположно движущиеся области.

В экспериментах по исследованию неоднородного вращения МЖ использовалась коллоидная суспензия на основе воды, стабилизированная олеатом натрия с объёмной концентрацией твёрдой фазы около 5 % и намагниченностью насыщения M_S = 15 кА / м. Неоднородное магнитное поле возбуждалось при трёхфазной (сдвиг 120° между фазами) и двухфазной (сдвиг 90°) схеме питания многополюсной обмотки одиночного индуктора (без постоянного подмагничивания) в цилиндрическом объёме с внешним диаметром 0,13 м. Устойчивое направление вращения МЖ было противоположно бегущему полю, что означало превышение второй компоненты над первой [3]. Зоны неоднородности поля чётко фиксировались на открытой поверхности МЖ по квазистационарной и периодической по окружности картине бугорков, быстро уменьшавшихся по высоте от стенок к оси. Легкая немагнитная рамка, погружённая в полностью закрытый объём с МЖ и тот же объём с открытой поверхностью, вращалась с близкими скоростями. Отклонение фазового сдвига напряжения питания в пределах ±10¸15° от оптимального значения 90° (двухфазная схема) практически не влияло на частоту вращения и размер зон неоднородности. Полученные зависимости частоты вращения МЖ от частоты и амплитуды вращающегося магнитного поля в целом подтверждают известные литературные данные.

В качестве теоретической модели рассматривается плоское осесимметричное течение вязкой МЖ с внутренними вращениями сферических частиц, обладающих жёстким магнитным моментом. Основные выводы подтверждаются экспериментальными данными.

Анализ полученных результатов показывает, что устойчивые режимы вращения МЖ возникают при согласовании пространственной неоднородности вращающегося поля с толщиной пограничных слоёв, появляющихся при движении МЖ как вязкой среды.

Библиографический список.

1. Moskowitz R., Rosenszweig R. E. Nonmechanical torquedriven flow of a ferromagnetic fluid by an electromagnetic field // Appl. Phys. Lett., 1967, V.11, № 10, P.301 – 306.

2. Каган И. Я., Рыков В. Г., Янтовский Е. И. О течении диэлектрической ферромагнитной суспензии во вращающемся магнитном поле // Магнитная гидродинамика, 1973, № 2, С. 135 – 137.

3. Глазов О. А. Влияние постоянного магнитного поля на вовлечение в движение магнитной жидкости бегущим магнитным полем // Магнитная гидродинамика, 1983, № 1, С. 45 – 50.

4. Лебедев А. В., Пшеничников А. Ф. О движении магнитной жидкости вол вращающемся магнитном поле // Магнитная гидродинамика, 1991, № 1, С. 7 – 12.