Динамика немагнитных жидких и газообразных включений в магнитной жидкости в магнитном поле кольцевого магнита

Цель. Изучить динамику немагнитных газовых пузырьков и капель в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле.

Методы. Эксперименты проведены на установках, разработанных на основе известных методов и оборудования для магнитных измерений и изготовленных самостоятельно. В качестве измерительных систем использованы современные цифровые скоростные системы видеофиксации изображения с высоким разрешением. Исследуются образцы магнетитовой магнитной жидкости с олеиновой кислотой в роли ПАВ и керосином в качестве жидкости-носителя.

Результаты. Экспериментально рассмотрено два варианта исследования левитирующего немагнитного объема в магнитной жидкости: при бесконтактном манипулировании в измерительной ячейке с магнитной жидкостью с помощью неоднородного магнитного поля, создаваемого кольцевым постоянным магнитом, в результате чего от него отделялись и всплывали немагнитные капли или газовые пузырьки, а также при инжекции немагнитной фазы шприцевым насосом через капилляр, конец которого располагался в «области магнитного вакуума» неоднородного магнитного поля.

Заключение. В рамках теоретической интерпретации показано, что определяющую роль в формировании левитирующего немагнитного объема играют конфигурация неоднородного магнитного поля и свойства магнитожидкостной системы. Экспериментально продемонстрировано, что размеры немагнитных включений, всплывающих в магнитожидкостной системе в неоднородном магнитном поле, не зависят от расхода и гидростатического давления, при этом возможно управление размерами немагнитных жидких и газообразных включений с помощью изменения параметров магнитных жидкостей и магнитного поля, что может найти применение в качестве микродозаторов или газовых счетчиков в микрофлюидных системах.

1. Visual observation of the effect of magnetic field on moving air and vapor bubbles in a magnetic fluid / K. Nakatsuka, B. Jeyadevan, Y. Akagami, T. Torigoea, S. Asari // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999. Vol. 201, No. 1-3. P. 256–259.

2. Numerical, experimental, and theoretical investigation of bubble aggregation and deformation in magnetic fluids / W. K. Lee, R. Scardovelli, A. D. Trubatch, P. Yecko // Physical Review E. 2010. Vol. 82, No. 1. P. 016302.

3. Kuwahara T., De Vuyst F., Yamaguchi H. Bubble velocity measurement using magnetic fluid and electromagnetic induction // Physics of Fluids. 2009. Vol. 21, No. 9. P. 097101.

4. Malvar S., Gontijo R. G., Cunha F. R. Nonlinear motion of an oscillating bubble immersed in a magnetic fluid // Journal of Engineering Mathematics. 2018. Vol. 108, No. 1. P. 143–170.

5. Ueno K., Nishita T., Kamiyama S. Numerical simulation of deformed single bubbles rising in magnetic fluid // Journal of magnetism and magnetic materials. 1999. Vol. 201, No. 1-3. P. 281–284.

6. Tatulchenkov A., Cebers A. Shapes of a gas bubble rising in the vertical Hele–Shaw cell with magnetic liquid // Journal of magnetism and magnetic materials. 2005. Vol. 289. P. 373–375.

7. Yamasaki H., Yamaguchi H. Numerical simulation of bubble deformation in magnetic fluids by finite volume method// Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. P. 164–168.

8. Ki K. Level set method for two-phase incompressible flows under magnetic fields // Computer Physics Communications. 2010. Vol. 181, No. 6. P. 999–1007.

9. Modeling bubbles and droplets in magnetic fluids / M. S. Korlie,A. Mukherjee, B. G. Nita, J. G. Stevens, A. D. Trubatch, P. Yecko // Journal of Physics: Condensed Matter. 2008. Vol. 20, No. 20. P. 204143.

10. Influence of vertical static magnetic field on behavior of rising single bubble in a conductive fluid / X. HюTian, W.Y. Shi, T. Tang, L. Feng // ISIJ International. 2016. Vol. 56, No. 2. P. 195–204.

11. Dizaji A. S., Mohammadpourfard M., Aminfar H. A numerical simulation of the water vapor bubble rising in ferrofluid by volume of fluid model in the presence of a magnetic field // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. Vol. 449. P. 185–196.

12. Hu Y., Li D., Niu X. Phase-field-based lattice Boltzmann model for multiphase ferrofluid flows // Physical Review E. 2018. Vol. 98, No. 3. P. 033301.

13. SofoneaV., Früh W.-G., Cristea A. Lattice Boltzmann model for the simulation of interfacial phenomena in magnetic fluids // Journal of magnetism and magnetic materials. 2002. Vol. 252. P. 144–146.

14. A numerical investigation of dynamics of bubbly flow in a ferrofluid by a self-correcting procedure-based lattice Boltzmann flux solver / Y. Li, X. D. Niu, A. Khan, D. C. Li, H. Yamaguchi // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, No. 8. P. 082107.

15. Поведение капель воды в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле кольцевого магнита / П. А. Ряполов, Е. А. Соколов, И. А. Шабанова, А. О. Васильева, Д. А. Калюжная, А. В. Кузько // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 3. С. 45–57.

16. Bashtovoi V., Kovalev M., Reks A. Instabilities of bubbles and droplets flows in magnetic fluids // Journal of magnetism and magnetic materials. 2005. Vol. 289. P. 350–352.

17. Dynamic behavior of gas bubble detached from single orifice in magnetic fluid / H. Yamasaki, T. Kishimotob, T. Tazawa, H. Yamaguchi // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 501. P. 166446.

18. The behaviour of gas inclusions in a magnetic fluid in a non-uniform magnetic field / P. A. Ryapolov, V. M. Polunin, E. B. Postnikov, V. G. Bashtovoi, A. G. Reks, E. A. Sokolov // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 497. P. 165925.

19. Modeling bubbles and droplets in magnetic fluids / M. S. Korlie, A. Mukherjee, B. G. Nita, J. G. Stevens, A. D. Trubatch, P. Yecko // Journal of Physics: Condensed Matter. 2008. Vol. 20, No. 20. P. 204143.

20. Influence of vertical static magnetic field on behavior of rising single bubble in a conductive fluid / X. HюTian, W.Y. Shi, T. Tang, L. Feng // ISIJ International. 2016. Vol. 56, No. 2. P. 195–204.

21. Dynamic study of ferrodroplet and bubbles merging in ferrofluid by a simplified multiphase lattice Boltzmann method / A. Khan, X. D. Niu, Q. Z. Li, Y. Li, D. Li, H. Yamasaki // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 495. P. 165869.