О зависимости термического модуля упругости двухкомпонентной магнитной жидкости от частоты, концентрации и магнитного поля

Цель. Исследование зависимости термического модуля упругости двухкомпонентной магнитной жидкости от величины напряженности магнитного поля, частоты внешнего возмущения и объемной концентрации магнитных частиц.

Метод исследования основан на кинетической теории жидких систем. На основе ранее построенных кинетических уравнений для одночастичной и двухчастичной функций распределения и микроскопического выражения вектора потока тепла получено явное динамическое выражение термического модуля упругости магнитных жидкостей. В быстропротекающих процессах в жидкостях перенос тепла протекает волнообразно и их распространение аналогично распространению второго звука в гелии II. Термический модуль упругости в жидкостях проявляется при высоких частотах и обеспечивает распространению второго звука. Выражение термического модуля упругости состоит из потенциальной и кинетической частей, учитывающих соответственно структурные и трансляционные релаксационные процессы. Для исследования термоупругих свойств магнитных жидкостей для каждой подсистемы выбраны соответствующие выражения потенциальных энергий взаимодействия, позволяющие провести численные расчеты.

Результаты. Проведены численные расчеты частотной и концентрационной зависимости динамического термического модуля упругости при наличии внешнего магнитного поля в магнитной жидкости на основе керосина. Результаты расчетов показывают, что увеличение воздействия внешнего возмущения приводит к нелинейному возрастанию термического модуля упругости в магнитной жидкости. Рост объемной концентрации магнитных частиц и увеличение значения напряженности магнитного поля также привели к нелинейному возрастанию термического модуля упругости в магнитной жидкости.

Заключение. Установлено, что вследствие учета трансляционной и структурных релаксационных процессов область частотной дисперсии термического модуля упругости получается широкой. Проведенные численные расчеты при различных значениях внешнего магнитного поля и объемной концентрации магнитных частиц показали, что хотя увеличение магнитного поля и концентрации магнитных частиц приводит к возрастанию термического модуля упругости, их рост на изменение области частотной дисперсии не влияет.

1. Hong T. K., Yang H. S., Choi C. J. Study of the enhanced thermal conductivity of Fe nanofluids // Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 97. P. 064311(1–4). http://dx.doi.org/10.1063/1.1861145

2. Measurements of nanofluid viscosity and its implications for thermal applications / R. Prasher, D. Song, J. Wang, P. Phelan // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 89, no. 13. P. 133108(1–3). https://doi.org/10.1063/1.2356113

3. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 78, no. 6. P. 718–720. http://dx.doi.org/10.1063/1.1341218

4. Anomalous thermal conductivity enhancement on nanotube suspensions / S. U. S. Choi, Z. G. Zhang, W. Yu, F. E. Lockwood, E. A. Grulke // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 79, no. 14. P. 2252–2254. https://doi.org/10.1063/1.1408272

5. Jang S. P. S., Choi U. S. The role of brownian motion in the enhanced thermal conductivity of nanofluids // Applied Physics Letters. 2004. Vol. 84, no. 21. P. 4316–4318. https://dx.doi.org/10.1063/1.1756684

6. Prasher R., Phelan P.E., Bhattacharya P. Effect of aggregation kinetics on the thermal conductivity of nanoscale colloidal solutions (nanofluid) // Nano Letters. 2006. Vol. 6, no. 7. P. 1529–1534. https://doi.org/10.1021/nl060992s

7. Zhou X.F., Gao L. Effective thermal conductivity in nanofluids of nonspherical particles with interfacial thermal resistance: differential effective medium theory // Journal of Applied Physics. 2006. Vol. 100, no. 2. P. 024913(1–6). http://dx.doi.org/10.1063/1.2216874

8. Predicting the effective thermal conductivity of carbon nanotube based nanofluids / N. N. V. Sastry, A. Bhunia, T. Sundararajan, S. K. Das // Nanotechnology. 2008. Vol. 19, no. 5. P. 055704(1–8). https://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/19/05/055704

9. Philip J., Shima P. D., Raj B. Nanofluid with tunable thermal properties // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, no. 4. P. 043108(1–3). https://doi.org/10.1063/1.2838304

10. Залетило А. А., Рекс А. Г. Форма и устойчивость локального теплопередающего магнитожидкостного покрытия на пластине // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 2. С. 150–163. https://doi.org/10.21869/22231528-2023-13-2-150-163

11. Sheikholeslami M., Rashidi M. M. Effect of space dependent magnetic field on free convection of Fe3O4–water nanofluid // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2015. Vol. 56. P. 6–15. http://dx.doi.org/10.1016/j.jtice.2015.03.035

12. Nkurikiyimfura I., Wang Y., Pan Z. Heat transfer enhancement by magnetic nanofluids – A review // Renew. Sustain. Energy Rev. 2013. Vol. 21. P. 548–561. https://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2012.12.039

13. Косков 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/10.21869/2223-1528-2022-12-2-166-182

14. Комилов К., Зарипов А. К., Маджид У. А. Частотная дисперсия коэффициента сдвиговой вязкости и магнитовязкий эффект в магнитных жидкостях // Журнал физической химии. 2020. Т. 94, № 8. С. 1279–1284. https://doi.org/10.31857/S0044453720080166

15. Зарипов А. К. О динамических коэффициентах вязкости и релаксационных процессах в магнитных жидкостях // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83, № 4. С. 412–422. https://doi.org/10.31857/S0023291221040169

16. Зарифзода А. К., Бозорова Ю. К. О термическом модуле упругости двухкомпонентной магнитной жидкости // Материалы Симпозиума физиков Таджикистана. Душанбе, Физико-технический ин-т им. С. У. Умарова, 2022. С. 99–103.

17. Юхновский И. Р., Головко М. Ф. Статистическая теория классических равновесных систем. Киев: Наукова думка, 1980. 372 с.

18. Зарипов А. К. Упругие свойства магнитных жидкостей // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83, № 6. С. 634–643. https://doi.org/10.31857/s0023291221060185

19. Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K / S. Huberman, R. A. Duncan, K. Chen, B. Song, V. Chiloyan, Z. Ding [et al.] // Science. 2019. Vol. 364, no. 6438. P. 375–379. https://doi.org/10.1126/science.aav3548

20. Lee S., Li Xun. Hydrodynamic phonon transport: past, present, and Prospect // Nanoscale Energy Transport: Emerging Phenomena, Methods, and Applications. Institute of Physics Publishing, 2019. URL: https://arxiv.org/pdf/1903.05731.pdf (дата обращения: 03.04.2024).