techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2024-14-3-52-64techusgu-264Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние расположения источника неоднородного магнитного поля на интенсивность термомагнитной конвекции в замкнутом контуреInfluence of inhomogeneous magnetic field source location on the intensity of thermomagnetic convection in a closed loophttps://orcid.org/0000-0001-8140-7774КосковМ. А.KoskovM. A.

Косков Михаил Андреевич, младший научный сотрудник

ул. Акад. Королёва, д. 1, г. Пермь 614013

Researcher ID: AAN-7092-2020

Mikhail A. Koskov, Junior researcher

1 Koroleva Str., Perm 614013

Researcher ID: AAN-7092-2020

koskov.m@icmm.ruИнститут механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of Russian Academy of ScienceRussian Federation2024240920241435264Copyright © Косков М.А., 20242024Косков М.А.Koskov M.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/264Цель

Цель. Получение информации о влиянии расположения источника неоднородного магнитного поля относительно нагреваемого участка вертикального гидродинамического контура, заполненного магнитной жидкостью, на интенсивность конвективного переноса тепла вдоль контура.

Методы

Методы. Проведены эксперименты с использованием гидродинамического контура, выполненного из тонкой трубки круглого сечения и расположенного в вертикальной плоскости. Подвод тепла осуществлялся нагревателем на коротком вертикальном участке контура, отвод – обдувом всей поверхности трубки термостатированным воздухом. Источником магнитного поля служили плоские полюсные наконечники ферритового магнитопровода, в зазоре между которыми располагался нагреватель. Расположение полюсных наконечников относительно нагревателя в экспериментах варьировалось по вертикали. При проведении контрольных опытов источник магнитного поля демонтировался. Контур был заполнен магнитной жидкостью типа «магнетит – керосин – олеиновая кислота» умеренной концентрации. Интенсивность стационарного конвективного теплопотока вдоль контура рассчитывалась по результатам измерения температуры поверхности трубки медьконстантановыми термопарами. Результаты измерений представлялись в безразмерном виде – взаимосвязи числа Нуссельта и теплового числа Рэлея.

Результаты

Результаты. Установившаяся смешанная, термомагнитная и гравитационная конвекция магнитной жидкости в контуре наблюдалась при любом расположении наконечников магнитопровода относительно нагревателя. При расположении полюсных наконечников выше нагревателя наблюдалась конкуренция гравитационной и термомагнитной конвекции, а поток тепла оказывался слабым. При размещении полюсных наконечников ниже нагревателя число Нуссельта было в 2–4 раза больше, чем в контрольных опытах (только гравитационная конвекция) при равных числах Рэлея. Наибольшие числа Нуссельта получены при размещении источника поля вблизи центра нагревателя.

Заключение

Заключение. Информация о влиянии взаимного расположения источника магнитного поля и нагревателя на конвективный перенос тепла магнитной жидкостью в гидродинамическом контуре получена экспериментально. Найдено оптимальное, в смысле интенсивности теплопереноса, положение источника поля.

Purpose

Purpose. Obtaining information on the influence of the location of the inhomogeneous magnetic field source relative to the heated section of a vertical hydrodynamic loop filled with magnetic fluid on the intensity of convective heat transfer along the loop.

Methods

Methods. Experiments were carried out using a hydrodynamic loop made of a thin tube of circular cross-section and placed in a vertical plane. Heat source was carried out by a heater on a short vertical section of the loop, and heat removal was implement out by blowing the entire surface of the tube with thermostated air. The source of the magnetic field was the flat pole tips of the ferrite magnetic core, in the gap between which the heater was located. The position of the pole tips relative to the heater varied vertically in the experiments. In the control experiments, the source of the magnetic field was deleted. The circuit was filled with medium concentrated magnetic liquid of the type "magnetite - kerosene - oleic acid". The intensity of steady-state convective heat flow along the tube was calculated from the results of measuring the tube surface temperature by copper-constantane thermocouples. The measurement results were presented in dimensionless form - the relationship between the Nusselt number and Rayleigh number.

Results

Results. The unfluctuating mixed, thermomagnetic and gravitational, convection of the magnetic fluid in the loop was observed at any location of the pole tips of the magnetic core relative to the heater. At location of pole tips above the heater, competition of gravitational and thermomagnetic convection was observed, and the heat flux was weak. When the pole tips were placed below the heater, the Nusselt number was 2 - 4 times higher than in the control tests (only gravitational convection) with equal Rayleigh numbers. The highest Nusselt numbers were obtained when the field source was placed in center of the heater.

Conclusion

Conclusion. Information on the influence of the relative location of the magnetic field source and the heater on convective heat transfer by magnetic fluid in a hydrodynamic loop is obtained experimentally. The optimal concerning of heat transfer intensity position of the field source was found.

гидродинамический контурмагнитная жидкостьтермомагнитная конвекциянеоднородное магнитное полеHydrodynamic loopmagnetic fluidthermomagnetic convectionnon-uniform magnetic fieldРабота выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Российской академии наук (рег. №: AAAA-A20-120020690030-5)This work was performed within the framework of the Program of Fundamental Research of the Russian Academy of Sciences (registration number: AAAA-A20-120020690030-5)ReferencesБерковский Б. М., Медведев В. Ф., Краков М. С. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1989. 240 с.Berkovsky B.M., Medvedev V.F., Krakov M.S. Magnetic fluids: Engineering applications. Oxford: Oxford University Press; 1985. 243 p.Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H. A heat transfer textbook. Cambridge MA, USA: Phlogiston Press, 2019. 784 р.Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H. А heat transfer textbook. Cambridge, MA: Phlogiston Press; 2019. 784 p.Finlayson B. A. Convective instability of ferromagnetic fluids // Journal of Fluid Mechanics. 1970. Vol. 40, no. 4. P. 753–767. https://doi.org/10.1017/S0022112070000423Finlayson B.A. Convective instability of ferromagnetic fluids. Journal of Fluid Mechanics. 1970;40(4):753–767. https://doi.org/10.1017/S0022112070000423Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. М.: Мир, 1989. 356 с.Rosensweig R.E. Ferrohydrodynamics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985. 344 p.Matsuki H., Yamasava K. Experimental considerations on a new automatic cooling device using temperature-sensitive magnetic fluid // IEEE Transactions on Magnetics. 1977. Vol. 13, no. 5. P. 926–940. https://doi.org/10.1109/TMAG.1977.1059679Matsuki H., Yamasava K. Experimental considerations on a new automatic cooling device using temperature-sensitive magnetic fluid. IEEE Transactions on Magnetics. 1977;13(5):926–940. https://doi.org/10.1109/TMAG.1977.1059679Belyaev A. V., Smorodin B. L. The stability of ferrofluid flow in a vertical layer subject to lateral heating and horizontal magnetic field // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2010. Vol. 322. P. 2596–2606. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2010.03.028Belyaev A.V., Smorodin B.L. The stability of ferrofluid flow in a vertical layer subject to lateral heating and horizontal magnetic field. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2010;322: 2596–2606. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2010.03.028Краков М. С., Никифоров И. В. Влияние меридионального течения и термомагнитной конвекции на характеристики магнитожидкостного уплотнения // Журнал технической физики. 2011. Т. 81, № 12. С. 47–55.Krakov M.S., Nikiforov I.V. Influence of the meridional flow and thermomagnetic convection on characteristics of magnetic fluid seal. Technical Physics. 2011;56(12):1745–1753. https://doi.org/10.1134/S1063784211120103Fumoto K., Yamagishi H., Ikegava M. A mini heat transport device based on thermo-sensitive magnetic fluid // Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 2007. Vol. 11. P. 201–210. https://doi.org/10.1080/15567260701333869Fumoto K., Yamagishi H., Ikegava M. A mini heat transport device based on thermo-sensitive magnetic fluid. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 2007;11:201–210. https://doi.org/10.1080/15567260701333869Optimal ferrofluids for magnetic cooling devices / M. S. Pattanaik , V. B. Varma, S. K. Cheekati, V. Chaudhary, R. V. Ramanujan // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, nо. 24167. https://doi.org/10.1038/s41598-021-03514-2Pattanaik M.S., Varma V.B., Cheekati S.K., Chaudhary V., Ramanujan R.V. Optimal ferrofluids for magnetic cooling devices. Scientific Reports. 2021;11(24167). https://doi.org/10.1038/s41598021-03514-2Свободные колебания магнитной жидкости в сильном магнитном поле / В. М. Полунин, П. А. Ряполов, В. Б. Платонов, А. Е. Кузько // Акустический журнал. 2016. Т. 62, № 3. С. 302– 307. https://doi.org/10.7868/S0320791916030138Polunin V.M., Ryapolov P.A., Platonov V.B., Kuzko A.E. Free oscillations of magnetic fluid in strong magnetic field. Acoustical Physics. 2016;62(3):313–318. (In Russ.) https://doi.org/10.1134/S1063771016030131Косков М. А., Пшеничников А. Ф. Термомагнитная конвекция феррожидкости в вертикальном гидродинамическом контуре: интенсификация теплообмена в магнитном поле // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2022. Т. 162, № 6(12). С. 926–940. https://doi.org/10.31857/S0044451022120136Koskov M.A., Pshenichnikov A.F. Thermomanetic convection of a ferrofluid in a vertical hydrodynamic loop: intensification of heat exchange in magnetic field. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2022;135(6):884–896. https://doi.org/10.1134/S1063776122120044Lian W., Xuan Y., Li Q. Design method of automatic energy transport devices based on the thermomagnetic effect of magnetic fluids // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52. P. 5451–5458. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.031Lian W., Xuan Y., Li Q. Design method of automatic energy transport devices based on the thermomagnetic effect of magnetic fluids. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009;52:5451–5458. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.031Vargaftic N. B., Vinogradov Y. K., Yargin V. S. Handbook of physical properties of liquids and gases. 3 rd. augm. and rev. ed. New York, USA: Begel House, Inc., 1996. 1358 p.Vargaftic N.B., Vinogradov Y.K., Yargin V.S. Handbook of physical properties of liquids and gases. 3rd. augm. and rev. ed. New York: Begel House, Inc.; 1996. 1358 p.Косков М. А., Лебедев А. В., Иванов А. С. О методе дифференциальной прогонки для получения кривых намагничивания ферроколлоидов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 3. С. 89–104. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-3-89-104Koskov M.A., Lebedev A.V., Ivanov A.S. About the differential sweep method for measuring of ferrocolloids magnetization curves. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologie. 2023;13(3):89–104. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-3-89-104Pshenichnikov A. F., Mekhonoshin V. V., Lebedev A. V. Magneto-granulometric analysis of concentrated ferrocolloids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. Vol. 161. P. 94–102. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(96)00067-4Pshenichnikov A.F., Mekhonoshin V.V., Lebedev A.V. Magneto-granulometric analysis of concentrated ferrocolloids. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996;161:94–102. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(96)00067-4Косков М. А. Конвекция феррожидкости в замкнутом контуре: анализ температурного поля // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 2. С. 166–182. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-2-166-182Koskov M.A. Ferrofluid convection in a hydrodynamic loop: analysis of temperature field. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologie. 2022; 12(2):166–182. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-2-166-182Xyan Y., Lian W. Electronic cooling using an automatic energy transport device based on thermomagnetic effect // Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31, no. 8/9. P. 1487–1494. https://doi.org/10.1016/j.appthermaleng.2011.01.033Xyan Y., Lian W. Electronic cooling using an automatic energy transport device based on thermomagnetic effect. Applied Thermal Engineering. 2011;31(8/9):1487–1494. https://doi.org/10.1016/j.appthermaleng.2011.01.033A novel magnetic cooling device for long distance heat transfer / M. S. Pattanaik, S. K. Cheekati, V. B. Varma, R. V. Ramanujan // Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 201, no. 117777. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117777.Pattanaik M.S., Cheekati S.K., Varma V.B., Ramanujan R.V. A novel magnetic cooling device for long distance heat transfer. Applied Thermal Engineering. 2022;201(1):117777. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117777.A magnetic nanofluid device for excellent passive cooling of light emitting diodes / V B. Varma, S. K. Cheekati, M. S. Pattanaik, R. V. Ramanujan // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 7401–7419. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.05.237Varma V.B., Cheekati S.K., Pattanaik M.S., Ramanujan R.V. A magnetic nanofluid device for excellent passive cooling of light emitting diodes. Energy Reports. 2022;8:7401–7419. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.05.237

The authors declare that there are no conflicts of interest present.