Влияние расположения источника неоднородного магнитного поля на интенсивность термомагнитной конвекции в замкнутом контуре

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. 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. 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. 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.

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

2. Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H. A heat transfer textbook. Cambridge MA, USA: Phlogiston Press, 2019. 784 р.

3. 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/S0022112070000423

4. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. М.: Мир, 1989. 356 с.

5. 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.1977.1059679

6. Belyaev 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.2010.03.028

7. Краков 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.

8. Fumoto 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/10.1080/15567260701333869

9. Optimal 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/s41598-021-03514-2

10. Свободные 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/S0320791916030138

11. Косков 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/S0044451022120136

12. Lian 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.2009.06.031

13. Vargaftic 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.

14. 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/10.21869/2223-1528-2023-13-3-89-104

15. Pshenichnikov 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)00067-4

16. 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

17. Xyan 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.2011.01.033

18. A 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.

19. 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.2022.05.237