Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой и транспортируемой магнитным полем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Мьо Мин Тан

• Мьо Мин Тан
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Мьо Мин Тан

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С МАГНИТОЖИДКОСТНЫМ ИНЕРЦИОННО-ВЯЗКИМ ЭЛЕМЕНТОМ

1.1. Синтез и основные физические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей

1.2. Устройство и упругие свойства магнитожидкостной мембраны

1.3. Колебательная система типа "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью"

1.4. Зарубежные исследования за последние 10 лет, близкие по тематике

1.5. Выводы, цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Описание первого, второго и третьего экспериментальных модулей

2.2. Методика образования и укрупнения до «больших» размеров изолированной воздушной полости

2.3. Методика транспорта изолированной воздушной полости

2.4. Оценка погрешности измерения частоты и коэффициента затухания колебаний

2.5. Методика определения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов

2.6. Выводы

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Физические свойства объекта экспериментального исследования

3.2. Транспорт воздушной полости в магнитной жидкости

3.3. Экспериментальные данные, характеризующие упругие и диссипативные

свойства полученных колебательных систем

3.3.1. Опыты по исследованию колебательных параметров системы "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью"

3.3.2. Опыты по исследованию колебательных параметров системы "Магнитожидкостная перемычка над создаваемой ею воздушной полостью"

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И ВЫВОДЫ

4.1. Теоретическое моделирование эволюции поверхности магнитной жидкости

4.2. Управляемый магнитным полем транспорт воздушной полости в магнитной жидкости

4.3. Анализ упруго-диссипативной характеристики колебательной системы "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью"

4.3.1. Анализ результатов измерений на образце МЖ-6

4.3.2. Анализ результатов измерений на образцах МЖ-2, МЖ-3, МЖ-4, МЖ-5

4.4. Анализ процесса укрупнения воздушной полости в магнитной жидкости на основе результатов акустических измерений

4.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодарности

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Упругие свойства магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой и транспортируемой магнитным полем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой высокодисперсные стабилизированные коллоидные растворы магнитных наночастиц в немагнитных жидкостях. Их создание относится к числу наиболее значимых достижений нанотехнологий. Благодаря уникальному сочетанию "взаимоисключающих" физических свойств (намагничивание и текучесть) МЖ нашли применение в различных областях науки и техники: сепарация немагнитных дорогостоящих материалов, очистка водной поверхности от загрязнения нефтепродуктами, магнитожидкостные герметизаторы, наполнители зазоров магнитных головок громкоговорителей, управляемые акустические контакты и др.

В большинстве устройств магнитная жидкость служит наполнителем межполюсных зазоров или оболочек, размещенных в межполюсной области и частично заполненных воздухом. Удерживаемая неоднородным магнитным полем капля магнитной жидкости, подпружиненная изолированной газовой полостью, способна совершать колебания. Проявление резонансных свойств при определенных условиях может существенно повлиять на технические характеристики устройств. Особенностью такой колебательной системы является зависимость ее упругих и диссипативных свойств от протекания специфических для инерционного элемента - МЖ процессов: испарения жидкости-носителя, растекания по поверхности твердой оболочки, магнитодиф фузии, агрегирования магнитных наночастиц, межфазного теплообмена.

Уникальными и все еще не до конца изученными являются реологические свойства МЖ. Экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными Me Taque J.P., Hall W. F., Бибиком E.E, Майоровым M.M., Варламовым Ю.Д., Каплуном А.Б., Суязовым В.М., Шлиомисом М.И., Пшеничниковым А.Ф., Мартыновым С.И., Диканским Ю.И. показано, что магнитные коллоиды характеризуются дополнительной

структурной вязкостью, обусловленной процессами агрегирования феррочастиц, анизотропией вязкости в магнитном поле, связанной с внутренним вращением и преимущественной ориентацией вытянутых агломератов ферромагнитных частиц. Однако, остается открытым вопрос о границах применимости концепции ньютоновской жидкости при разработках теоретических моделей течения концентрированного магнитного коллоида для ситуаций, близких к условиям эксплуатации устройств с магнитожидкостными активными элементами, в частности, при наличии вибраций и динамического взаимодействия жидкой и парогазовой фаз.

Исследования колебательных систем с магнитожидкостным упруго-вязким элементом в определенной степени отражены в работах Сагу В.В., Fenlon F.H., Баштового В.Г., Кракова М.С., Родионова A.A., Соколова В.В., Баева А.Р., Чеканова В.В., Лебедева A.B.. Подробный обзор этих работ изложен в монографии Полунина В.М. [1].

Сообщение о стабилизации нижней поверхности столбика МЖ в трубке при помощи неоднородного магнитного поля приводится в работе [2] Однако ни в этой, ни в других научных публикациях не было сообщений об изучении упругих свойств колебательной системы магнитная жидкость -герметизируемая ею воздушная полость. Между тем результаты исследования данного процесса могут быть полезны для расширения экспериментальной базы вибро- и магнитореологии МЖ. Известная методика экспериментального исследования структуры МЖ, в которой используется колебательная система с МЖ, заполняющей U-образную трубку, в некоторых случаях не может быть предпочтительной - например, при проведении большой серии измерений. В процессе получения данных значительное время занимает чистка трубки и последующее ее заполнение новым образцом. В этом отношении представляет интерес методика измерений, основанная на применении колебательной системы с воздушной полостью в МЖ, удерживаемой силами магнитной левитации. Предложенная методика характеризуется простотой реализации и возобновления измерений с

образцами МЖ различной вязкости. Постепенность пристеночного перетекания жидкости в процессе захвата и перемещения воздушной полости вверх или вниз по трубке в различном скоростном режиме движения магнита открывает возможность проведения магнитореологического тестирования образцов МЖ.

В прикладном отношении процесс герметизации воздушной полости МЖ в неоднородном магнитном поле помимо хорошо известного применения в магнитожидкостных герметизаторах и уплотнителях представляет собой новый элемент мехатроники, имеющий перспективу применения в автоматике и робототехнике. Данное явление может найти применение в устройствах взятия пробы газа и хранения ее для последующего анализа. При использовании высокоградиентного магнитного поля можно проводить интенсивное перемешивание дисперсной системы.

Изучение новых возможностей управляемого образования и перемещения воздушных полостей в МЖ и физической природы упруго-диссипативных свойств получаемых колебательных систем представляет интерес для нескольких отраслей физической науки: физики конденсированного состояния, магнитной гидродинамики, механики жидкости и газа, акустики нанодисперсных систем.

Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.

Целью настоящей работы является исследование упругих свойств магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и транспортируемой в ней магнитным полем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи;

- разработать методику исследования, создать комплексную компьютеризированную экспериментальную установку, предназначенную для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, а также для изучения параметров

колебательной системы магнитная жидкость - герметизируемая воздушная полость.

- изучить возможность использования транспортируемой под действием неоднородного магнитного поля в магнитной жидкости воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны;

- используя уникальную возможность управления упругими параметрами колебательной системы за счет транспорта воздушной полости вдоль столбика МЖ и укрупнения полости при помощи самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны, произвести измерения упруго-диссипативных параметров с вариацией коэффициента упругости и вязкости жидкости-носителя;

- произвести сравнение упругих параметров исследуемой колебательной системы (частота колебаний, коэффициент упругости), полученных экспериментально и на основе модельной теории;

- провести визуальное наблюдение эволюции формы поверхности магнитной жидкости на начальном этапе образования магнитожидкостной перемычки при движении кольцевого магнита вдоль оси трубки вверх к свободной поверхности;

- разработать теоретическую модель начального этапа образования магнитожидкостной перемычки при движении кольцевого магнита вдоль оси трубки вверх к свободной поверхности жидкости;

- изучить возможность использования воздушной полости в магнитной жидкости, перемещаемой магнитным полем, в качестве подвижного акустического рефлектора;

- провести анализ результатов измерений коэффициента затухания колебаний исследуемых колебательных систем и сделать вывод о вкладе механизма диссипации энергии, описываемого формулой Гельмгольца

Объектом исследования являются образцы нанодисперсной

магнетитовой МЖ, приготовленные на основе различных жидкостей

(керосин, синтетическое углеводородное масло, ПЭС-2, минеральное

7

углеводородное масло, ПЭС-4). Предмет исследования — упругие свойства магнитной жидкости с образуемой и транспортируемой в ней при помощи магнитного поля воздушной полостью.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Разработана методика и создана экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, изучения упругих и диссипативных свойств полученной колебательной системы - магнитная жидкость с герметизируемой ею воздушной полостью;

2. На основе принципа действия ультразвукового интерферометра доказана возможность транспорта воздушной полости в магнитной жидкости, управляемого магнитным полем, и использования этого явления в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации;

3. Путем визуальных наблюдений и теоретического моделирования, а также на основе измерений упругих параметров колебательной системы перемычка - воздушная полость доказана возможность герметизации и укрупнения до «больших» объемов воздушной полости за счет создания самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны при перемещении источника магнитного поля вверх к свободной поверхности магнитной жидкости;

4. Получен массив экспериментальных данных, характеризующих упругие свойства создаваемых колебательных систем; проведено сопоставление вкладов в коэффициенты упругости и затухания наиболее вероятных механизмов их формирования; установлено условие ограничения применимости формулы Гельмгольца по отношению высоты столбика МЖ к диаметру трубки, связанное с краевыми эффектами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика и экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, изучения упругих и диссипативных свойств колебательной системы - магнитная жидкость с герметизируемой ею воздушной полостью;

2. Процесс создания, герметизации и укрупнения до «больших» объемов воздушной полости за счет управляемого магнитным полем перемещения самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны вверх от свободной поверхности магнитной жидкости. Для описания данного явления использованы результаты визуальных наблюдений и теоретического моделирования начальной стадии образования магнитожидкостной перемычки, а также результаты измерений упругих параметров колебательной системы перемычка — воздушная полость;

3. Использование транспортируемой магнитным полем в магнитной жидкости воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации.

4. Вывод об ограничении применимости формулы Гельмгольца для оценки вклада в коэффициент затухания колебаний вязкой жидкости в трубке, обусловленном краевыми эффектами. Условием пригодности модели помимо известного требования по соотношению длины вязкой волны и диаметра трубки является требование о превышении высоты столбика жидкости над диаметром трубки более чем в 7 раз.

Достоверность результатов обеспечивается использованием апробированных экспериментальных методик и расчётами погрешности измерений; использованием поверенной измерительной техники; сопоставлением полученных результатов с работами, выполненными другими авторами, выводы которых идентичны при аналогичных условиях;

совпадением данных нескольких независимых экспериментов, проведённых на одних и тех же образцах.

Научная и практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные экспериментальные и теоретические результаты позволяют установить условие применимости ранее используемой модели Гельмгольца. Они будут полезны при разработке и проектировании новых и модернизации существующих устройств, использующих магнитожидкостную герметизацию, в числе которых, устройства для взятия проб газа, их хранения и последующего анализа, счетчики и дозаторы газа, используемые в химико-технологическом производстве, фармацевтике, и приборы для демонстрации уникальных свойств магнитных жидкостей в учебном процессе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В

соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование упругих свойств нанодисперсной магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и транспортируемой в ней магнитным полем.

Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности:

п. 2.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на III

Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные

проблемы магнитных дисперсных наносистем (Ставрополь, 2011),

«Российской конференции по магнитной гидродинамике» (Пермь, 2012), «15

Международной Плесской научной конференции по магнитным жидкостям»

(Плес, 2012), научной конференции «Сессия научного совета РАН по

акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Таганрог,

2012), III Международной научной конференции «Актуальные проблемы

молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012), «XVIII Зимней школе

по механике сплошных сред» (Пермь, 2013), Международной молодежной

ю

научной конференции «Будущее науки-2013» (Курск, 2013).

Публикации: Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 12 работах, из них 5 в рецензируемых журналах и изданиях.

Личный вклад автора: по теме диссертационной работы подробно за период с 2000 г. по настоящее время изучена научная, научно-техническая литература и периодические издания в РФ и за рубежом; разработаны методики и экспериментальные установки для исследования физических механизмов образования, роста и перемещения воздушной полости в магнитной жидкости неоднородным магнитным полем, а также исследований упругих свойств полученных систем; выполнен весь объём экспериментальных и теоретических исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 109 страницах и содержит 34 рисунков, 13 таблиц и 96 наименований цитируемой литературы.

ГЛАВА 1. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С МАГНИТО-ЖИДКОСТНЫМ ИНЕРЦИОННО-ВЯЗКИМ ЭЛЕМЕНТОМ

1.1. Синтез и основные физические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей

Жидкие ферромагнетики — магнитные жидкости (МЖ), представляют собой коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных веществ в обычных жидкостях [3, 4, 5]. При получении МЖ решается одна из важнейших задач коллоидной химии - получение наночастиц твердого материала и диспергирование его в жидкости-носителе [6, 4]. При столь малых размерах частицы становятся однодоменными [3, 7]. Магнитный момент наночастиц т*=УМВ0, где V — объем частицы. Намагниченность насыщения Мво зависит от размера частиц и падает при его уменьшении; при типичных для магнитных коллоидов размеров частиц М$0 составляет -50% от соответствующей величины многодоменного материала. Уменьшение Мво связывается с дефицитом соседей по обменному взаимодействию в поверхностном слое [3, 8, 6].

Между частицами магнитных коллоидов действуют силы диполь-дипольного взаимодействия, обусловленные наличием у частиц постоянного магнитного момента. При сближении частиц они приводят к слипанию их, агрегированию дисперсной фазы, в результате чего коллоидный раствор утрачивает устойчивость. Условие существования МЖ как устойчивого коллоидного раствора сводится к тому, чтобы энергия магнитостатического взаимодействия магнитных диполей V составляла малую долю от тепловой энергии частиц к0Т.

Агрегативная устойчивость коллоидов достигается путем создания на поверхности частиц защитных оболочек, препятствующих слипанию частиц в агрегаты.

Наиболее оптимальной как в плане снижения затрат, так и в плане существенного повышения производительности оказалась технология

получения МЖ на основе химической конденсации [4]. Химическая конденсация заключается в осаждении частиц магнетита из водного раствора солей двух и трехвалентного железа избытком концентрированного раствора щелочи:

2РеС13 + ГеС12 + 8ЫаОН Ре304 I + 8ЫаС1 + 4Н20 (1.1)

При помощи метода пептизации полученный осадок коллоидных частиц переводится в жидкость-носитель, при этом на поверхности частиц образуется мономолекулярный слой молекул ПАВ. Наиболее часто для стабилизации МЖ на основе нанодисперсного магнетита используется олеиновая кислота [4, 9]. Олеиновая кислота С8Н]7СН=СН(СН2)7СО— О Н+ своим полярным концом 0"Н* притягивается к поверхности твёрдой фазы, образуя на ней плотный мономолекулярный слой толщиной <5—2 нм.

При наличии агрегативной устойчивости системы частицы дисперсной фазы благодаря малым размерам удерживаются тепловым броуновским движением в объеме жидкости-носителя.

МЖ - практически непрозрачные жидкости. Опыты на просвечивание возможны либо в случае малой толщины слоя (~10 мкм), либо в случае малой концентрации (<10 ) при толщине слоя ~1 мм.

В электрических или магнитных полях МЖ становятся подобными одноосным кристаллам. Они проявляют анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптических свойств: двулучепреломление, дихроизм, анизотропию рассеяния. Эти эффекты связаны с выстраиванием магнитных наночастиц в плотные цепочки, направленные вдоль поля.

Кривая зависимости намагничивания от напряженности магнитного поля М(Н) МЖ имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков. Численное значение начальной магнитной восприимчивости х концентрированной МЖ при комнатной темп-ре достигает -10, что в тысячи раз превышают восприимчивость обычных жидкостей. Нагрев МЖ выше точки Кюри Тс приводит к уменьшению её

магнитной восприимчивости, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. В МЖ хорошо распространяются звуковые волны [1,5, 10-39]. Присутствие твёрдых наночастиц обусловливает изменение плотности и сжимаемости дисперсной системы, а также появление специфического для микронеоднородной среды процесса внутреннего теплообмена. Наложение магнитного поля на агрегативно устойчивые коллоиды приводит к незначительным изменениям скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука. Так, приращение скорости не превышает 1-2 м/с.

МЖ присуще сочетание таких свойств, как текучесть, сжимаемость жидкой среды и значительная намагниченность суперпарамагнитного типа [1]. Уникальное сочетание физических свойств МЖ предопределяет широкую область их применения. Именно это обстоятельство обуславливает потребность в исследованиях эффектов воздействия на МЖ неоднородного магнитного поля, в том числе - управления магнитогидродинамическими потоками для захвата, хранения и дробления газовых полостей.

В неоднородном магнитном поле на частицы МЖ действуют пондеромоторные силы. Действие пондеромоторных сил используется во многих устройствах: в магнитожидкостных герметизаторах, удерживающих перепад давлений в несколько атмосфер; в установках по очистке водных поверхностей от нефтепродуктов; в магнитных головках громкоговорителей с магнитожидкостным наполнением, улучшающим их амплитудно-частотную характеристику, и др.

Следствием действия пондеромоторных сил является эффект левитации, который заключается в том, что на немагнитные тела, помещённые в МЖ, находящуюся в магнитное поле с градиентом вдоль направления силы тяжести, действует дополнительная выталкивающая сила, многократно превышающая вес вытесненной жидкости. На этом явлении основан принцип действия сепараторов немагнитных материалов, например, цветных металлов.

1.2. Устройство и упругие свойства магнитожидкостной мембраны

Магнитожидкостная мембрана (МЖМ) представляет собой каплю магнитного коллоида, перекрывающую сечение трубки с внутренним диаметром ~ 1,5 см благодаря стабилизирующему действию неоднородного магнитного поля. При наличии в трубке донышка магнитожидкостная перемычка изолирует находящуюся под ней воздушную полость. В данном случае существенными становятся такие свойства МЖ, как магнитоуправляемость свободной поверхности, текучесть, инерционность [40].

В отличие от «обычных» жидкостных пленок, МЖМ обладает способностью к самовосстановлению. Вслед за принудительным разрывом перемычки (например, за счет создания перепада давления) происходит восстановление ее сплошности. Возникающий при восстановлении сплошности перемычки скачок давления выводит колебательную систему из равновесия. Индикация затухающих колебаний осуществляется индукционным методом, для чего внутри кольцевого магнита соосно с ним размещена катушка индуктивности.

Магнитожидкостная перемычка в совокупности с изолируемой газовой полостью образует колебательную систему - МЖМ. Упругие свойства МЖМ, динамика разрыва-восстановления ее достаточно хорошо изучена [41 -13]. Были изучены также вопросы практического значения МЖМ [42, 14].

Коэффициент упругости системы к определяется суммой:

к=к8+кр+ка, (1.2) где кё, кр и ка - соответственно коэффициенты газовой упругости, пондеромоторной упругости и упругости поверхностного натяжения.

Выражение к8 для адиабатного процесса имеет вид [43]:

уо

где /?£ — плотность газа (в данном случае - воздуха); с - скорость звука в

15

воздухе; площадь поперечного сечения трубки; Уо~ объем изолированной газовой полости.

Исходя из аналогии с пружинным маятником, получена формула для коэффициента упругости, обусловленного поверхностным натяжением:

к0=\6яс7 (1.4)

где а — коэффициент поверхностного натяжения. Численными оценками показано, что вкладом коэффициента ка в упругость исследуемой колебательной системы можно пренебречь.

Строгий теоретический расчет кр нуждается в учете распределения напряженности магнитного поля в активной зоне, размагничивающих полей, намагниченности МЖ, поэтому является весьма затруднительным. Расчет в приближении «слабомагнитной среды» может дать только грубо оценочные результаты [41]. Наиболее надежные результаты можно получить экспериментальным путем. Изложим методику экспериментального определения данного параметра и полученные результаты.

Эксперимент по определению коэффициента упругости пондеромоторного типа кр описан в монографии [41]. Он проводится на основе метода «присоединенной полости», сущность которого состоит в том, что последовательно выполняются измерения частоты колебаний при открытой с одного конца трубке V/ и закрытой с обоих концов трубке у2.

Эквивалентная механическая модель колебательной системы с присоединённой полостью показана на рисунке 1.1. При открытой с одного конца трубке магнитожидкостная перемычка массой mf подпружинена упругостью изолированной газовой полости кё и упругостью пондеромоторного типа кр

В случае закрытой с обоих концов трубки к указанным двум упругостям добавляется упругость присоединённой газовой полости кай-Таким образом:

1 К + ko

1 2л

mt

v2 =

1 \k9 +kp+k,

ad

2n

(1.5)

m,

Рис. 1.1. Механическая модель колебательной системы с присоединённой полостью

Изолируемая камера является частью цилиндрической трубки высотой h0, поэтому

Y7rd~ Р к =-—^ « 4h

(1.6)

где р0 - давление газа в полости в отсутствие колебаний; с1- диаметр трубки; у - отношение теплоемкостей.

Выражение кё для адиабатного процесса имеет вид: При решении системы уравнений относительно кр, получено

2 J4

я" рс~ d

16V

ad

1

v„

ad

П"

/ Vn

(1.7)

где Vad - объем присоединенной полости, n=v2/v,.

В нашем случае присоединенная полость является частью трубки постоянного сечения, поэтому формула (1.7) принимает следующий вид:

К =

п р с2d2 { 1 h л

4h

ad

ad

п2 - 7 h

(1.8)

■о У

Погрешность измерения кр по методу присоединенной полости:

Ак„ Ар., 2 • Ас 2 • Ас1 АН . 2п • Ап п т —£.=-£- +-+-+—----(1.У)

кр р8 с й п -1

Наибольший вклад в погрешность вносят два последних члена, их сумма находится в пределах 10 - 15%.

Захват газа магнитной жидкостью в набегающем сверху к ее свободной поверхности магнитном поле характеризуется сравнительно малыми объемами затопляемой полости [2, 44]. Между тем, при проведении химического анализа состава газа в угольной шахте или на производствах химической промышленности может потребоваться забор пробы газа большого объема. В связи с этой проблемой представляет интерес исследование физического механизма образования больших порций газа при помощи магнитожидкостной мембраны (МЖМ), образованной при перемещении источника магнитного поля — кольцевого магнита от донышка трубки, содержащей некоторое количество МЖ, к свободной поверхности.

1.3. Колебательная система типа "столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью"

В конструкции многих устройств с использованием магнитной жидкости предусматривается воздействие на каплю магнитного коллоида магнитного поля, т.е. пондеромоторной силы и силы инерции, проявляющейся при ускоренном смещении капли из положения равновесия. Такого рода устройства, как правило, представляют собой колебательную систему, в которой МЖ выполняет функцию инерционно-вязкого элемента. Работа в этом направлении может быть полезна с точки зрения расширения возможностей контролируемого синтеза магнитных коллоидов [45, 46].

Инерционным элементом колебательной системы является столбик МЖ в трубке, удерживаемый над замкнутой воздушной полостью благодаря стабилизации границы жидкость-газ неоднородным магнитным полем. Верхняя открытая поверхность жидкости находится за пределами магнитного

поля. Столбик МЖ может удерживаться также перекрытием пленочного типа или за счет гидростатического равновесия в U-образной трубке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мьо Мин Тан, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Полунин, В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей [Текст] -М.: Физматлит, 2012. - 384 с.

2. Тарапов И.Е. Звуковые волны в намагничивающейся среде // ПМТФ. 1973. № 1.С. 15-22.

3. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // Успехи физ. наук. 1974. Т. 112. № 3. С. 427-459.

4. Бибик Е.Е. Приготовление феррожидкости // Коллоидн. журн. 1973. Т.35. № 6. С. 1141-1142.

5. Полунин В.М. Магнитные жидкости//Большая Российская энциклопедия:^ 18.Ломоносов- Манизер.-М.: Большая Российская энциклопедия, 2011.С.373-374.

6. Бибик Е.Е., Бузунов О.В. Достижения в области получения и применения ферромагнитных жидкостей. - М.: ЦНИИ Электроника, 1979. 60 с.

7. Вонсовский C.B. Магнетизм. -М.: Наука, 1971. 1032 с.

8. Фертман В.Е. Магнитные жидкости - естественная конвекция и теплообмен. - Минск: Наука и техника, 1978. 206 с.

9. Краков М.С., Матусевич Н.П. К вопросу об устойчивости магнитных коллоидов и их максимальной намагниченности // Магнитные жидкости: научные и прикладные исследования. - Минск: АН БССР, ИТМО, 1983. С. 3-11.

10. Полунин В.М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 208 с.

11. Пирожков Б.И., Пушкарев Ю.М., Юркин И.В. Скорость звука в феррожидкостях// Гидродинамика. Ученые записки. - Пермь: ПГПИ. 1976. Вып. 9. С. 164-166.

12. Полунин В.М. О скорости ультразвука в ферромагнитной жидкости // Ультразвук и физико-химические свойства вещества. - Курск, 1979. Вып. 13. С. 151-154.

13. Полунин В.М. Микронеоднородность магнитной жидкости и распространение звука в ней //Акуст. журн. 1985. Т. 31. № 2. С. 234238.

14. Chung D.Y., Isler W.E. Ultrasonic velocity anisotropy in ferrofluids under the influence of a magnetic field // J. Appl. Phys. 1978. V. 49(3). P. 18091811.

15. Пирожков Б.И., Шлиомис М.И. Релаксационное поглощение звука в ферросуспензии // Матер. 9 Всесоюзн. акуст. конф. Секция Г. - М.: Наука, 1977. С. 123-126.

16. Исследование распространения ультразвука в магнитной жидкости: отчет № 3236 / Институт механики МГУ; рук. темы Гогосов B.B. - М., 1985.84 с. №77066746.

17. Баштовой В.Г., Краков М.С. Резонансное возбуждение звука в ферромагнитной жидкости // Магн. гидродинамика. 1974. № 3. С. 3-7.

18. Баев А.Р., Прохоренко П.П. Резонансное возбуждение ультразвуковых колебаний в магнитных жидкостях // ДАН БССР, 1978. Т. 22. № 3. С. 242-243.

19. Полунин В.М. К вопросу о резонансном возбуждении колебаний в ферромагнитной жидкости // Магн. гидродинамика. 1978. № 1. С. 141143.

20. Полунин В.М. Об одном методе резонансного возбуждения ультразвуковых колебаний в ферромагнитной жидкости // Акуст. журн. 1978. Т. 24. № 1.С. 100-103.

21. Дмитриев И.Е., Полунин В.М. О дисперсии скорости звука в системе жидкость - цилиндрическая оболочка // Акуст. журн. 1997. Т. 43. № 3.

100

с. 344-349.

22. Jacobi WJ. Propagation of sound waves along liquid cylinders // J. Acoust. Soc. Amer. 1949. V. 21. № 2. P. 120-124.

23. Дмитриев И.Е., Полунин В.M. Акустическая дисперсия в магнито-жидкостном интерферометре // Магн. гидродинамика. 1997. Т. 33. № 1. С. 96-99.

24. Мансуров К.Х., Соколов В.В. Акустические свойства магнитных жидкостей//Магн. гидродинамика. 1987. № 1 С. 63-66.

25. Берковский Б.М. и др. Упругие свойства магнитной жидкости на основе воды // Магн. гидродинамика. 1986. № 1. С. 67-72.

26. Полунин В.М., Зрайченко В.А., Рослякова Л.И. Влияние магнитного поля на структурные изменения и упругие свойства некоторых магнитных жидкостей // Магн. гидродинамика. 1987. № 2. С. 139-141.

27. Пацегон Н.Ф., Тарапов И.Е., Федоненко А.И. Исследование физических свойств ФМЖ ультразвуковым методом // Магн. гидродинамика. 1983. № 4. С. 53-59.

28. Гогосов В.В. и др. Распространение ультразвука в магнитной жидкости // Магн. гидродинамика. 1987. № 2. С. 19-27.

29. Липкин А.И. Акустические свойства магнитных жидкостей с агрегатами // Магнитная гидродинамика. 1985. № 3. С. 25-30.

30. Гогосов В.В., Мартынов С.И., Цуриков С.Н., Шапошникова Г.А. Распространение ультразвука в магнитной жидкости // Магн. гидродинамика. 1987. № 3. С. 15-21.

31. Гогосов В.В., Мартынов С.И., Цуриков С.Н., Шапошникова Г.А. Исследование свойств магнитных жидкостей ультразвуковыми методами // Тез. докл. 4 Всесоюзн. конф. по магнитным жидкостям (Плес, 1985). - Иваново: ИЭИ, 1985. С. 90-91.

32. Липкин А.И. Анализ экспериментальных результатов по измерению скорости звука в магнитной жидкости в магнитном поле // Магн. гидродинамика. 1987. № 4. С. 123-124.

33. Апситис Л.В., Кострюкова Н.К., Новиков В.Ф. Использование ферромагнитной жидкости для создания акустического контакта при исследованиях на продольных и поперечных волнах // Акуст. журн. 1982. Т. 28. №6. С. 721-723.

34. Виноградов А.Н. Распространение ультразвука в полидисперсных магнитных жидкостях // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Химия. 1999. Т. 40. № 2. С. 90-93.

35. Полунин В.М., Рослякова Л.И., Чернышова А.А. Влияние неоднородного магнитного поля на акустические свойства магнитных жидкостей // Магнитные жидкости: тез. докл. 11-го Рижского совещания по магн. гидродинамике. - Саласпилс: ИФ АН Латв. ССР, 1984. С. 43-46.

36. Henjes К. Sound propagation in magnetic fluids // Phys.Rev. E., 1994. V. 50. №2. P. 1184-1188.

37. Dubbelday P.S. Application of ferrofluids as an acoustic transducer material // IEEE Transactions on Magnetics (Second International Conference on Magnetic Fluids). 1980. V. 16. № 2. P. 372-374.

38. Hanns Walter Muller, Mario Liu. Shear-Excited Sound in Magnetic Fluid. Volume 89, Number 6 Physical review letters, 5 August 2002. P.0672011-0672014.

39. Полунин B.M. и др. Результаты экпериментального исследования магнитоупругих свойств магнитной жидкости // Сб. тр. XIII сессии РАО. - М.: ГЕОС, 2003. Т. 1. С. 193-196.

40. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. Гидродинамика намагничивающихся жидкостей // Итоги науки и техники. Сер.

Механика жидкости и газа. - М.: ВИНИТИ, 1981. 210 с.

41. Полунин В.М., Пьянков Е.В., Еськов И.В. и др. Об индикации ультразвуковой волны в магнитной жидкости // Материалы 3 Всесоюз. школы-семинара по магн. жидкостям. — М.: МГУ, 1983. С. 204-205.

42. Игнатенко Н.М., Родионов A.A., Полунин В.М. и др. Влияние внешнего магнитного поля на скорость распространения ультразвуковых волн в магнитной жидкости // Известия вузов. Сер. Физика. 1983. № 4. С. 65-69.

43. Рэлей Дж.У. Теория звука. 2-е изд. - М.: ГИТТЛ, 1955. Т. 2. 475 с.

44. Полунин В.М. Релаксация намагниченности и распространение звука в магнитной жидкости // Акуст. журн. 1983. Т. 29. № 6. С. 820-823.

45. Патент РФ №2416089. Способ определения вязкости магнитной жидкости или магнитного коллоида [Текст] / С.Г. Емельянов, В.М. Полунин, Н.С. Кобелев [и др.]. - № 2010112571/28; заявл. 31.03.2010; опубл. 10.04.2011. Бюл. № 10.

46. Odenbach S., (Ed.). Colloidal Magnetic Fluids: Basics, Development and Application of Ferrofluids, Lect. Notes Phys. - Berlin: Springer, 2009. - 430

P-

47. Михайлов И.Г., Соловьев B.A., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. - М.: Наука, 1964. 514 с.

48. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука - М.: Изд-во МГУ, 1960. 336 с.

49. Полунин В.М., Кутуев А.Н. К изучению формы дисперсных наночастиц на основе модели вращательной вязкости // Известия высших учебных заведений. Секция физика. 2009. № 8. С. 10-15.

50. Karpova G.V., Kutuev A.N., Polunin V.M., Ryapolov P. A., Zubarev E.K., Kovarda V.V. On the dissipation processes in the oscillating system with a magneto-liquid element // Magnetohydrodynamics Vol. 45 (2009), No. 1,

pp. 85-94.

51. Polunin V.M., Karpova G. V., Kutuev A. N., Ryapolov P. An Oscillatory System with a Magnetic_Fluid Viscoinertial Element// Acoustical Physics, 2010, Vol. 56, No. 2, pp. 174-180.

52. Полунин B.M., Ряполов П.А., Шабанова И.А. и др. Вибрационно-реологический эффект в нанодисперсной магнитной жидкости // Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. ст.: в 2. ч. Ч 1. Курск, гос. техн. у-нт. Курск, 2010. С. 300-306.

53. Polunin, V.M. Experimental study of an air cavity held by levitation forces / V.M. Polunin, M.L. Boev, Myo Min Than, P.A. Ryapolov // Magnetohydrodynamics. 2012. V. 48, № 3, pp. 557-566.

54. Z. Rozynek, A. Jrozefczak, K.D. Knudsen, A. Skumiel, T. Hornowski, J.O. Fossum, M. Timko, P. Kopcanskry, and M. Konerackra, Structuring from nanoparticles in oil-based ferrofluids//The European Physical Journal E , Eur. Phys. J. E (2011) 34: 28 , DOI 10.1140/epje/i2011-11028-5 ,p.2-8.

55. Peter Kopcanske, Natalia Tomasovicova, Martina Koneracka,Milan Timko, Vlasta Zavisova, Ladislav Tomco , Magnetic Nanoparticles In Magnetic Fluids // Acta Electrotechnica et Informática, Vol. 10, No. 3, 2010, p. 10-13.

56. R. Badescu, G. Apreotesei, V. Badescu, Viscous And Thermal Effects On Acoustic Properties Of Ferrofluids With Aggregates // Rom. Journ. Phys., Vol. 55, Nos. 1-2, Bucharest, 2010 ,P. 173-184.

57. A. S. Buteica, D. E. Mihaiescu, A. M. Grumezescu, B. S Vasile, A. Popescu, O. M. Mihaiescu, R. Cristescu , The Anti-Bacterial Activity Of Magnetic Nanofluid: Fe304 /Oleic Acid/Cephalosporins Core/Shell/Adsorption-Shell Proved On S. Aureus And E. Coli And Possible Applications As Drug Delivery Systems // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Vol. 5, No 4, October-December 2010, p. 927-932.

58. Zhenyu Wu, Robert Zierold, Anna Mueller, S. Emil Ruff, Chenchen Ma,

Abid A. Khan, Fania Geiger,Bernd A. Sommer, Mato Knez, Kornelius Nielsch, Alexander M. Bittner, Christina Wege, and Carl E. Krill III, Preparation and magnetoviscosity of nanotube ferrofluids by viral scaffolding and ALD on porous templates // Phys. Status Solidi B 247, No. 10, (2010) / DOI 10.1002/pssb.201046208 , p.2412-2423.

59. Jozef Kudelcik, Peter Bury, Vlasta Zavisova, Milan Timko, Peter Kopcansky , Acoustic Spectroscopy Of Magnetic Fluid Based On Transformer Oil // Acta Electrotechnica et Informatica, Vol. 10, No. 3, 2010, 90-92.

60. R. Badescu , G. Apreotesei, V. Badescu , Viscous And Thermal Effects On Acoustic Properties Of Ferrofluids With Aggregates //Rom. Journ. Phys., Vol. 55, Nos. 1-2, P. 173-184, Bucharest, 2010.

61. Guang Yang and Zhu Ping Chen , Magnetorheological Fluid for Levitation Migration Technology // The Open Materials Science Journal, 2011, 5, 6671.

62. Filip Ilievski, Katherine A. Mirica, Audrey K. Ellerbee and George M. Whitesides , Templated self-assembly in three dimensions using magnetic levitation // Soft Matter, 2011, 7, 9113.

63. L. Rodriguez-Arco, P. Kuzhir2, M.T. Lopez-Lopez, G. Bossis, J.D.G. Duran, Instabilities of a pressure-driven flow of magnetorheological fluids// Author manuscript, published in "Journal of Rheology -New York- 57, 4 (2013) 1121" , DOI: 10.1122/1.4810019 ,p.l-31.

64. Jianling Li, Decai Li and Hongchao Cui, Research on Stability Mechanism of Magnetic Fluid //Journal of Communication and Computer, ISSN 15487709, USA, July 2010, Volume 7, No.7 (Serial No.68),p.81-84.

65. Bogdan Sapinski, Wojciech Horak, Rheological Properties Of MR Fluids Recommended For Use In Shock Absorbers// acta mechanica et automatica, vol.7 no.2 (2013).p.l07-l 10.

66. Supagorn Rugmai, Chitnarong Sirisathitkul, Komkrich Chokprasombat, Prawet Rangsanga, Phimphaka Harding, Toemsak Srikhirin, Pongsakorn Jantaratana, Small-Angle X-Ray Scattering Spectra Of Iron-Based Magnetic Fluids // Materials and technology 46 (2012) 4, p.369-373.

67. Jozef Kudelcik, Peter Bury, Jozef Drga, Peter Kopcansky , Vlasta Zavisova, Milan Timko , Comparison of Theories of Anisotropy in Transformer Oil-Based Magnetic Fluids // Applied Physics , Volume: 11, Number: 2 ,2013 , Special Issue,p.l47-155.

68. Bashtovoi V.G., Polevikov V.K., Suprun A.E., The effect of magnetophoresis and Brownian diffusion on the levitation of bodies in a magnetic fluid //Magnetohdrodynamics. 2008. Vol. 44. №2. P. 121-126.

69. Lee J.H., Nam Y.J., Yamane R., Park M.K. Position feedback control of a nonmagnetic body levitated in magnetic fluid // Journal of Physics: Conference Series. 2009. №149. P. 1-5.

70. Hanson M. The frequency dependence of the complex susceptibility of magnetic liquids // J. Magn. Magn. Mat.. Vol. 96, Issues 1-3, 1 June 1991, P. 105-113.

71. Polunin, V.M. Study of the kinetic and strength properties of magnetofluid membranes / V.M. Polunin, S.S. Khotynyuk, I.A.. Schabanova [et al.] // Magnetohydrodynamics. - 2010. - V. 46. - № 3. - P. 299-308.

72. Баштовой В.Г., Краков M.C. Резонансное возбуждение волн в ферромагнитной жидкости бегущим магнитным полем // Уральская конф. по применению магнитной гидродинамики в металлургии: тез. докл.-Пермь: УНЦ АН СССР, 1974. Вып. 1.С. 136-138.

73. Polunin, V.M. Elastic Properties of a Magnetic Fluid with an Air Cavity Retained by Levitation Forces [Текст] / V.M. Polunin, M.L. Boev, G.V. Karpova, Myo Min Than // Acoustical Physics.-2013.-Vol. 59.-No.l.-P.56-61.

74. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ. для вузов. В 10 т. Т. 1. Механика. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2002. - 224 с.

75. Баштовой В.Г., Берковский Б.М., Вислович А.Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей // М.: ИВТАН, 1985. С. 188.

76. Полунин В.М. О методике экспериментального исследования нормальных волн в тонкой упругой цилиндрической оболочке, заполненной жидкостью //Акуст. журн. 1989. Т. 35. № 3. С. 557-559.

77. Dmitriev I.E., Polunin V.M. Dispersion of Sound Velosity in a Fluid-Filled Cylindrical Shell //Acoustical Phisics. V. 43. № 3. 1997. P. 295-299.

78. Исакович М.А. Л.И. Мандельштам и распространение звука в микронеоднородных средах // Успехи физ. наук. №3. 1979. Т. 129. С. 531-540.

79. Urick R.J. A sound velocity method for determining the compressibility of finely divided substances // J. Appl. Phys. 1947. V. 18. № 11. P. 983-987.

80. Urick R.J., Ament W.S. Propagation of sound in composite media // J. Acoust. Soc. Amer. 1949. V. 21. № 2. P. 115-119.

81. Михайлов И.Г. Распространение ультразвуковых волн в жидкостях. -М.-Л.: Госиздат, техн.-теор. лит., 1949. 152 с.

82. Полунин В.М. Применение магнитных жидкостей в акустике // Матер. 3 Всесоюзн. школы-семинара по магнитным жидкостям (Плес, 1983). -М.: ИМ МГУ, 1983. С. 200-201.

83. Рыков В.Г. Экспериментальное исследование теплопроводности магнитной жидкости в магнитном поле // Матер. 3 Всесоюзн. школы-семинара по магнитным жидкостям. - М.: ИМ МГУ, 1983. С. 216-218.

84. Полунин В.М., Лебединская A.A., Игнатенко Н.М. Сравнение различных методов определения концентрации магнитной жидкости // Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей: тез. докл. Всесоюзн. симпоз. - Саласпилс: ИФ АН Латв. ССР, 1980. С. 90-96.

107

85. Polunin V.M., Shabanova I.A., Boev M.L., Ryapolov P.A., Postnikov E.B. On the dynamics of self-restoring of magnetic fluid membranes using a cavitation model // Magnetohydrodynamics. 2011. Vol. 47. № 3. P. 303-313.

86. Патент РФ №2384737. Мембранный насос [Текст] / Емельянов С.Г., Кобелев Н.С., Полунин В.М. [и др.]. - № 2009106495/06; заявл. 24.02.2009; опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8.

87. Патент РФ №2273002. Дозатор газа [Текст] / Емельянов С.Г., Кобелев Н.С., Полунин В.М. [и др.]. - № 2008106301/28; заявл. 18.02.2008; опубл. 10.09.2009. Бюл. № 25.

88. Полунин, В.М. Экспериментальное исследование колебательной системы с воздушной полостью, удерживаемой силами левитации [Текст] / В.М. Полунин, M.JL Боев, Мьо Мин Тан // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия. -2012. - №2. - С. 63-68.

89. Баштовой, В.Г. Введение в термомеханику магнитных жидкостей / В.Г. Баштовой, Б.М. Берковский, А.Н. Вислович // М.: ИВТАН, 1985. 188 с.

90. Баштовой, В.Г. Захват и передислокация порции воздуха управляемым потоком нанодисперсной магнитной жидкости [Текст] / В.Г. Баштовой, В.М. Полунин, M.JI. Боев, П.А. Ряполов // Нанотехника. - 2013. -№1(33).-С. 84-91.

91. Полунин, В.М. Форма поверхности воздушной полости в магнитной жидкости, захваченной и удерживаемой магнитным полем [Текст] / В.М. Полунин, M.JI. Боев, Мьо Мин Тан, П.А. Ряполов, И.А. Шабанова, В.Г. Баштовой // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия. - 2012. - № 2. - С. 109-115.

92. Карпова Г.В., Полунин В.М., Постников Е.Б. Экспериментальное исследование магнитожидкостного резонатора // Акуст. журн. 2002. Т. 48. № 3. С. 354-357.

93. Devin С. Survey of thermal, radiation and viscous demping of pulsating air bubbles in water// J. Acoust. Soc. Amer. 1959. Vol. 31. №12. P. 1654-1667.

94. Чабан И.А. О затухании колебаний газового пузырька в жидкости, связанном с теплообменом //Акуст. журн. 1989. Т.35. №1. С. 182-183.

95. Лепендин Л.Ф. Акустика // М.: Высш. шк., 1978. С. 448.

96. Bashtovoi V.G., Polevikov V.K., Suprun А.Е., The effect of magnetophoresis and Brownian diffusion on the lévitation of bodies in a magnetic fluid // Magnetohdrodynamics. 2008. Vol. 44. №2. P. 121-126.