Колчанов НВ

КОНВЕКЦИЯ В МАГНИТНОМ КОЛЛОИДЕ ВБЛИЗИ ПОРОГА
УСТОЙЧИВОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ
Н.В. Колчанов, Г.Ф. Путин
Пермский государственный национальный исследовательский
университет, 614990, Пермь
Предметом данного исследования является гравитационная конвекция в подогреваемом снизу горизонтальном слое магнитного коллоида вблизи порога устойчивости механического равновесия. По составу
коллоид представляет собой дисперсию частиц магнетита в керосине.
Средний размер частиц 10 нм. Магнетитовые частицы покрыты стабилизирующим слоем поверхностно-активного вещества – олеиновой кислотой.
В однокомпонентной жидкости при наличии твёрдой верхней границы слоя механическое равновесие сменяют термогравитационные
стационарные течения, обычно имеющие вид системы валов [1]. В коллоиде, в отличие от однокомпонентной жидкости, кроме температурного градиента плотности, могут возникнуть градиенты из-за термодиффузии (эффекта Соре) и барометрического осаждения частиц, поэтому
поведение коллоидной жидкости становится периодическим либо нерегулярным, как в пространстве, так и во времени. Данное утверждение
подтверждают ранее проделанные эксперименты с магнитными жидкостями. Например, в связанных вертикальных каналах при подогреве снизу
обнаружены конвективные колебания, при которых происходит периодическая смена направления течения [2]. В работах [3-8], посвящённых исследованию конвекции магнитных коллоидов в подогреваемых снизу
горизонтальных слоях, наблюдались течения, имеющие вид большого
числа валиков и ячеек, сложным образом взаимодействующих друг с
другом.
В данной работе описаны эксперименты с магнитным коллоидом,
физические свойства которого представлены в таблице. Коллоид 1 помещался в полость (рис. 1) цилиндрической формы, имеющей следуюПлотность, ρ (кг/м³)
1,4 ∙103
Удельная теплоёмкость, cуд (Дж/(кг·К))
1,3 ∙103
Коэффициент кинематической вязкости, ν (м²/с)
5,3 ∙10-6
Коэффициент теплопроводности, κ (Вт/(м·K))
0,26
Коэффициент диффузии, D (см2/с)
1 ·10-7
 Колчанов Н.В., Путин Г.Ф., 2014
1
Рис. 1. Схема экспериментальной полости.
щие размеры: высота – 3,0 мм, диаметр – 58 мм. Сверху полость ограничена стеклом из соли фторида лития 2 (диаметр 60 мм), способным
пропускать инфракрасное излучение. С боков полость окружена кольцевой рамкой 6 из органического стекла – плексигласа. Снизу полость
ограничена алюминиевой пластинкой 5 толщиной 1,0 мм. Медный теплообменник 3 задает температуру нижней границы. Между медным
теплообменником и алюминием расположена гетинаксовая пластина 4.
В местах соединений гетинаксовой пластины с алюминием и медным
теплообменником помещены две медь-константановые дифференциальные термопары 7, используя которые определялись перепады температур между точками расположения спаев.
С помощью двух жидкостных термостатов KRIO-VT-01 и специальной системы термостатирования верхней границы полости в горизонтальном слое коллоида задавался постоянный перепад температур.
Показания с термопар обрабатывались устройством Термодат-38С2 и
передавались на компьютер, где в режиме реального времени наблюдались перепады температур на твёрдой гетинаксовой прослойке и слое
коллоида. Одновременно с термопарными измерениям проводилась
тепловизионная съёмка, которая позволяла наблюдать динамику поля
температур на поверхности магнитного коллоида.
Используя показания термопар, был построен график зависимости
(рис. 2) числа Нуссельта Nu от перепада температур ΔT на горизонтальном слое магнитного коллоида. Определённое по графику пороговое
значение ΔTс, вблизи которого механическое равновесие коллоидной
жидкости становится неустойчивым, равно 5,8 оС.
Результаты тепловизионных измерений показали, что механическое
равновесие нарушается при значениях, меньших ΔTс. Неподвижное состояние может быть неустойчивым, начиная со значения перепада
ΔTс*=2,2 оС. Был зафиксирован режим конвекции, вблизи ΔTс*, представляющий собой крупномасштабный вихрь, охватывающий всю полость. Жидкость в вихре движется параллельно или почти параллельно
2
Рис. 2. График зависимости числа Нуссельта Nu от перепада температур ΔT на
горизонтальном слое магнитного коллоида.
Серия 1 – измерения при увеличении ΔT, Серия 2 – измерения при уменьшении ΔT.
верхней горизонтальной стенке полости. Данный режим наблюдался в
диапазоне значений ΔT=2,2-3,9 оС, причём только при уменьшении перепада температур на слое коллоидной жидкости, т.е. при возвращении
в механическое равновесие из однородного перемешанного состояния.
Если коллоид предварительно в течении 2-х недель был неподвижен, то
конвекция в слое возбуждалась при ΔT=4,3 оС в виде множества конвективных ячеек, хаотично меняющих своё местоположение в пределах
горизонтального слоя.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках
научного проекта, грант № 12-08-31423 мол_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Гетлинг А.В. Конвекция Рэлея–Бенара. Структуры и динамика, М.: Эдиториал УРСС,
1999, 247 с.
2. Глухов А. Ф., Путин Г. Ф. Конвекция магнитных жидкостей в связанных каналах при
подогреве снизу // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2010. № 5. С. 41–48.
1.
3
3. Путин Г. Ф., Божко А. А. и др. Нелинейные волновые режимы и пространственновременной хаос в конвекции Рэлея−Бенара // Информ. бюллетень РФФИ. 1996. Т. 4, №
1. С. 536.
4. Bozhko A. A., Pilyugina T. V. et al. Convective heat transfer in ferrocolloids // Heat Transfer Research. 2000. Vol. 31, № 5. P. 341–349.
5. Bozhko A. A., Putin G. F. Heat transfer and flow patterns in ferrofluid convection // MagnetoHydroDynamics. 2003. Vol. 39, № 2. P. 147−168.
6. Bozhko A., Tynjala T. et al. Oscillatory regimes of Rayleigh convection in ferrofluid // Изв.
вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Математика и механика сплошной среды.
2004. С. 68−73.
7. 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.
8. Божко А. А., Булычев П. В. и др. Пространственно-временной хаос в конвекции коллоидов // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2007. № 1. С. 29−38.
4