Форма поверхности магнитной жидкости с ферромагнитным цилиндром в однородном магнитном поле

Цель. Исследовать форму поверхности плоского слоя магнитной жидкости с погруженным в него ферромагнитным цилиндрическим телом в однородном магнитном поле.

Методы. В экспериментах использованы магнитные жидкости на основе трансформаторного масла  ММТ-44 и ММТ-10 с намагниченностью насыщения соответственно 43,8 и 9,6 кА/м. Плоский слой магнитной жидкости формировался путем заполнения немагнитной прямоугольной кюветы размером 57х102 мм. Источник однородного магнитного поля – катушки Гельмгольца с цилиндрической рабочей областью диаметром 0,2 м и высотой 0,2 м. В области расположения кюветы с магнитной жидкостью отклонения напряженности магнитного поля не превышают 0,2%. Искажения однородного магнитного поля создавались помещенным в магнитную жидкость стальным стержнем диаметром 10 мм. Проведено исследование деформации поверхности магнитной жидкости в полях различного направления. Исследования проведены в диапазоне магнитных полей до 30 кА/м.

Результаты. Изучена форма свободной поверхности магнитной жидкости над погруженным в нее цилиндрическим ферромагнитным телом во внешнем однородном магнитном поле. Также были определены экспериментальные зависимости амплитуды деформации свободной поверхности жидкостей с различной намагниченностью насыщения от величины действующего внешнего поля различных направлений. Установлено явление гистерезиса формы свободной поверхности ферромагнитной жидкости при изменении направления изменения магнитного поля. Установлен диапазон критических полей, в котором наблюдался гистерезис формы свободной поверхности.

Вывод. Результаты исследования показывают, что форма свободной поверхности магнитной жидкости с цилиндрическим ферромагнитным стержнем определяется характером искажения однородного магнитного поля, вносимого стержнем. Характер искажения поля зависит от ориентации стержня относительно поля. Помимо ориентации тела на форму поверхности жидкости влияет ее намагниченность насыщения, а также толщина слоя жидкости над телом. Результаты имеют интерес при разработке магнитоуправляемых теплообменных технологий, в системах виброзащиты, а также для контрольно-измерительных систем.

1. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. Cambridge, USA, Cambridge University Press, 1985. 344 p.

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

3. Берковский Б. М., Медведев В. Ф., Краков М. С. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1989. 240 с.

4. Magnetic fluids and Applications Handbook / editor-in-chief B. Berkovski; ed. V. Bashtovoi. New York, USA, Begell House Inc. Publishers, 1996. 851 p.

5. Рекс А. Г. Некоторые вопросы механики магнитожидкостных систем со свободной поверхностью. Минск: Белорус. национальный технический ун-т, 2005. 256 с.

6. Симоновский А. Я. Теплоперенос при закалочном охлаждении в магнитной жидкости // Магнитная гидродинамика. 1988. № 2. С. 67–72.

7. Баштовой В. Г., Краков М. С., Тайц Е. М. Управление теплообменом в системах с границей раздела магнитной и немагнитной жидкостей // Магнитная гидродинамика. 1989. № 4. С. 60–66.

8. Баштовой В. Г., Волкова О. Ю., Рекс А. Г. Влияние ориентации магнитного поля на процесс теплопереноса при кипении магнитных жидкостей // Магнитная гидродинамика. 1992. № 2. С. 27–31.

9. Гогосов В. В., Кирюшин В. В., Симоновский А. Я. Управление тепло- и массопереносом в магнитных жидкостях // Магнитная гидродинамика. 1994. Т. 30, № 2. С. 163–170.

10. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: в 10 т. 4-е изд., стереот. М.: Физматлит, 2005. Т. 8. 656 с.

11. Экспериментальное исследование форм свободной поверхности магнитной жидкости, окружающей намагничивающуюся пластину, во внешнем магнитном поле / В. В. Гогосов, О. А. Гришанина, В. В. Кирюшин, А. Я. Симоновский // Магнитная гидродинамика. 1998. Т. 34, № 1. С. 40–49.

12. Теоретическое описание форм свободной поверхности магнитной жидкости, окружающей намагничивающуюся пластину, во внешнем магнитном поле / В. В. Гогосов, О. А. Гришанина, В. В. Кирюшин, А. Я. Симоновский // Магнитная гидродинамика. 1998. Т. 34, № 1. С. 50–57.

13. Распределение поля температур на поверхности и внутри намагничивающегося шара при его охлаждении в магнитной жидкости в приложенных магнитных полях. Эксперименты и численные решения / В. В. Гогосов, Х. Д. Искандеров, В. В. Кирюшин, А. Я. Симоновский // Магнитная гидродинамика. 1999. Т. 35, № 2. С. 184–194.

14. Bashtovoi V., Motsar А., Reks A. Energy dissipation in a finite volume of magnetic fluid // Journal of magnetism and magnetic materials. 2017. Vol. 431. P. 245–248.

15. Гогосов В. В., Симоновский А. Я., Шапошникова Г. А. Гидродинамика магнитных жидкостей. Некоторые модели и примеры их применений // Труды математического института им. А. Стеклова. 1989. Т. 186. С. 140–149.

16. Surface of magnetic fluid containing a spherical body in the uniform magnetic field / K. Zimmermann, I. Zeidis, V. Naletova, V. Turkov, P. Goncharov // The 15th Riga and 6th PAMIR conference on fundamental and applied MHD. 2005. Vol. 1. P. 373–376.

17. Surface of magnetic fluid containing magnetizable bodies in an applied uniform magnetic field / K. Zimmermann, V. A. Naletova, I. Zeidis, V. A. Turkov, D. A. Pelevina, V. Bohm, J. Popp. // Magnetohydrodynamics. 2008. Vol. 44, no. 2. P. 175–181.

18. Налетова В. А., Пелевина Д. А., Турков В. А. Статика магнитной жидкости, содержащей концентраторы магнитного поля // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2009. № 6. С. 3–10.

19. Behavior of a free surface of a magnetic fluid containing a magnetizable cylinder / V. A. Naletova, V. A. Turkov, D. A. Pelevina, A. V. Rozin, K. Zimmermann, J. Popp, I. Zeidis // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2012. Vol. 324. P. 1253–1257.

20. Free surface of magnetic fluid with a spherical ferromagnetic body in uniform magnetic field / V. Bashtovoi, А. Motsar, V. Naletova, A. Reks, D. Pelevina // Magnetohygrodynamics. 2013. Vol. 49, no. 3-4. P. 592–595.

21. Magnetic fluid with a spherical ferromagnetic body in a uniform magnetic field. Theory and experiment / D. Pelevina, V. Naletova, V. Bashtovoi, A. Motsar, A. Reks // Magnetohygrodynamics. 2014. Vol. 50, no. 1. P. 83–90.

22. The shape of the magnetic fluid surface above a magnetizable sphere in a uniform magnetic field / V. G. Bashtovoi, A. A. Motsar, V. A. Naletova, A. G. Reks // Technical physics. 2015. Vol. 60, no. 10. P. 1437–1442. http://doi.org/10.1134/S1063784215100060.

23. Spherical magnetizable body partially immersed in a magnetic fluid in a uniform magnetic field / D. A. Pelevina, O. A. Sharova, D. I. Merkulov, V. A. Turkov, V. A. Naletova // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019. Vol. 494. P. 165751. http://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165751.

24. 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. http://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165925.