Тепло-и массоперенос при охлаждении полого намагничивающегося цилиндра в магнитной жидкости

Магнитные жидкости — коллоидные дисперсии ферроили ферри-магнитных частиц в жидких средах. Впервые устойчивые магнитные жидкости были получены путем химического осаждения в середине 60-х годов группой Розенцвейга и Нойрингера в США. Первоначально их применение планировалось в качестве наполнителя для жидкого ракетного топлива. Это делалось для возможности в условиях невесомости управлять подачей топлива к двигателям ракет магнитным полем. По разным причинам данное применение магнитной жидкости так и не было реализовано. Однако, удивительное сочетание сильных магнитных свойств и при этом наличие всех остальных свойств обычных жидкостей привело к тому, что магнитные жидкости очень скоро получили широкое распространение в различных областях науки, техники и медицины. Многообразие различного рода применений сделало актуальными исследования в области физики, физико-химии, механики магнитных жидкостей. В течение почти сорока лет во многих странах мира исследуются структура и магнитные свойства магнитных жидкостей. Изучается влияние магнитного поля на гидростатические, гидродинамические и тепломас-сообменные процессы в магнитных жидкостях. Исследованы процессы переноса малых магнитных частиц в магнитных жидкостях путем диффузии и электрофореза. Изучена седиментационная устойчивость магнитных жидкостей в полях массовых сил и условия ее расслоения. Большое внимание исследователи магнитных жидкостей уделяли механизмам теплопереноса в магнитных жидкостях. Разработаны модели термомагнитоконвективных процессов теплообмена в магнитных жидкостях в магнитных полях.

Тепломассоперенос при кипении магнитных жидкостей оставался неизученным практически до начала 80-х годов. Широкий интерес к изучению теплофизики кипения магнитных жидкостей был проявлен лишь в начале 80х годов. Очевидно, что этот интерес был обусловлен предложением, сделанным профессорами Чекановым В. В. и Симоновским А. Я., применять магнитные жидкости в качестве закалочных сред (Авторское свидетельство СССР № 985 076. Заявл. 26.05.81 № 3 294 878/22−02. Опубл. 30.12.82 в Б.И. 1982, № 48). Известно большое число разнообразных закалочных сред: вода, водные растворы солей, щелочей, водо-растворимые полимеры, масла, водно-масляные эмульсии и другие среды. Такое разнообразие закалочных сред вызвано широким диапазоном критических скоростей при закалке сталей с различным содержанием углерода и легирующих элементов. В традиционной технологии термической обработки существует серьезная нерешенная задача оперативного управления закалочным охлаждением, даже при использовании наиболее оптимальной закалочной среды, что связано с различной геометрией изделий и рядом других факторов. Существующие способы управляемого закалочного охлаждения: закалка под избыточным регулируемым давлением, разновидности струйного охлаждения — душевое, спрейерное и др. являются эффективными, как правило, только при закалке достаточно крупных изделий. При закалке же мелких эти методы становятся малопригодными в силу своей инерционности. Помимо сказанного, актуальность решения научных и технических задач в области закалочного охлаждения определяется отсутствием эффективных методов управления нестационарными полями текущих и остаточных термических и фазовых напряжений в закаливаемых изделиях. Известно, например, что наличие случайным образом распределенных по поверхности закаливаемого изделия локальных паровых пленок приводит к различного рода вредным деформациям деталитрещинам, поводкам, короблению. Это обусловлено неравномерностью охлаждения, а, следовательно, и неблагоприятным распределением термических и фазовых напряжений в изделии при охлаждении в традиционных закалочных средах. Однако, целенаправленное удержание локальных паровых пленок на одних участках поверхности и устранение их на других по заранее спланированной схеме позволило бы управлять распределением термических напряжений и, при необходимости получать, локально-неоднородную структуру в отсутствие деформаций, либо управлять величиной деформаций. Подобные эффекты не достигаются известными способами охлаждения. Как будет показано в данной работе, процесс управления закалочными деформациями можно осуществить в магнитной жидкости.

Настоящая диссертация выполнялась в Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии в 1996;2000 годах в соответствие с планом научно-исследовательских работ академии. Работа поддерживалась грантами РФФИ № 96−01−1 747, № 99−01−1 057.

Целью настоящей работы являлось изучение влияние внешнего магнитного поля на процессы теплои массообмена, гидростатику и гидродинамику магнитной жидкости в окрестности наружной и внутренней поверхностей полого цилиндра, а так же на структуру, механические свойства и величину остаточных деформаций стальных полых цилиндров, подвергаемых термической обработке в магнитной жидкости.

Для этого были поставлены следующие основные задачи:

— исследовать изменение температуры различных точек внутренней и наружной поверхностей полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;

— провести эксперименты по изучению возникающих в полости цилиндра интенсивных парожидкостных потоков;

— осуществить экспериментальное и теоретическое моделирование локальных паровых полостей, обнаруженных в процессе охлаждения полого цилиндра в окрестности его наружной стенки при различных ориентациях оси цилиндра к направлению вектора внешнего приложенного магнитного поля и вектора силы тяжести;

— найти распределение температуры в стенке полого цилиндра в различных условиях охлаждения в магнитной жидкости;

— определить остаточные деформации полого цилиндра, подвергнутого термической обработке (нагреву в печи и охлаждению) в магнитной жидкости;

— изучить влияние магнитного поля на формирование структуры и механических свойств на разных участках стенки стальных полых цилиндров, подвергнутых закалочному охлаждению в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— впервые экспериментально и теоретически изучены явления теплои массопереноса при охлаждении полого ферромагнитного цилиндра в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;

— впервые экспериментально обнаружено возникновение интенсивных турбулентных парожидкостных потоков в полости цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости без включения магнитного поля и при включенном магнитном поле, когда начальная температура охлаждаемого цилиндра выше точки Кюри для материала цилиндра;

— впервые показано, что при охлаждении полого ферромагнитного цилиндра в магнитной жидкости в магнитном поле от начальной температуры выше точки Кюри для материала цилиндра достаточно длительный начальных период охлаждение происходит так же, как и без включения магнитного поля, то есть так же, как и в ненамагниченном состоянии цилиндра;

— впервые найдено, что при охлаждении полого ферромагнитного цилиндра в магнитной жидкости в магнитном поле от начальной температуры ниже точки Кюри материала цилиндра магнитная жидкость силами магнитного поля выталкивается из полости цилиндра и охлаждение стенки полости происходит в паро-воздушной среде во всех температурных интервалах охлаждения;

— впервые показано, что при охлаждении полого ферромагнитного цилиндра в магнитной жидкости в магнитном поле от начальной температуры ниже точки Кюри материала цилиндра в процессе охлаждения в окрестности его наружной поверхности образуются регулярно, в соответствие с распределением магнитного поля, расположенные локальные паро-воздушные полости;

— впервые проведено экспериментальное и теоретическое моделирование образования паро-воздушных полостей, регулярно расположенных в окрестности различных участков наружной поверхности полого ферромагнитного цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости, путем наблюдения за состоянием свободной поверхности магнитной жидкости вблизи внутренней и наружной поверхностей полого цилиндра при различной ориентации оси цилиндра к направлению внешнего приложенного магнитного поля и вектору силы тяжести;

— решена задача о распределении температуры в стенке полого цилиндра в различные моменты времени охлаждения, впервые показавшая сложный характер распределения температуры в стенке полого намагничивающегося цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости;

— впервые экспериментально показано, что изменяя толщину стенки полого цилиндра и интенсивность внешнего приложенного магнитного поля можно управлять остаточными деформациями полого цилиндра, возникающими в результате неоднородного охлаждения поверхности полого цилиндра в магнитной жидкости;

— впервые экспериментально найдено, что при неоднородном охлаждении в магнитной жидкости полого намагничивающегося цилиндра можно добиваться как равномерного, так и неравномерного распределения структуры и механических свойств в стенке полого цилиндра, подвергнутого закалке в магнитной жидкости путем изменения величины внешнего приложенного магнитного поля.

На защсту выносятся:

— результаты экспериментального изучения закономерностей охлаждения различных точек внутренней и наружной поверхностей полого цилиндра от начальных температур выше и ниже точки Кюри для материала цилиндра в магнитной жидкости без включения магнитного поля и в магнитных полях различной интенсивности;

— результаты экспериментального изучения различных режимов кипения магнитной жидкости в различных температурных интервалах охлаждения по характеру осадка расслоившейся магнитной жидкости на поверхности полого цилиндра при охлаждении его в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;

— результаты экспериментального и теоретического моделирования локальных паро-воздушных образований в магнитной жидкости вблизи наружной поверхности полого ферромагнитного цилиндра при различной ориентации оси цилиндра к направлению вектора внешнего приложенного магнитного поля и вектора силы тяжести;

— результаты численного моделирования нестационарного поля температур полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности;

— результаты экспериментов по изучению остаточных деформаций полого цилиндра, подвергнутого неоднородному охлаждению в магнитной жидкости;

— результаты экспериментов по закалке стальных полых цилиндров в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности .

Практическая ценность полученных результатов. Экспериментальные исследования тепловых, гидродинамических, термоупругих и металлофизических процессов, сопровождающих охлаждение полых намагничивающихся цилиндров в магнитных жидкостях, показали, что путем наложения магнитного поля и изменением толщины стенки полого цилиндра при термической обработке полых цилиндров в магнитных жидкостях можно управлять распределением структуры и механических свойств стенки цилиндра, и при этом добиваться заранее заданной величины ее остаточных деформаций, либо осуществлять бездеформационную закалку, что имеет большое значение для практики термической обработки изделий машиностроения.

Достоверность полученных результатов подтверждается: сопоставлением расчетов, проведенных по разработанным моделям, с многочисленными экспериментальными даннымиприменением при проведении измерений стандартных приборов и оборудованиястатистической обработкой результатов экспериментов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях СГСХА в 1997, 1998, 1999, 2000 гг.- III научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов Ставропольского Университета «Актуальные проблемы современной науки», Ставрополь, 1997 г.- Всероссийской научной конференции «Физико-химические проблемы нанотехнологий», Ставрополь, 1997 г.- 8-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям, г. Плес, 1998 г.- Юбилейной конференции «Современные проблемы механики», посвященной 40-летию Института механики МГУ, Москва, 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация написана на 153 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 63 рисунка, 3 таблицу и список литературы из 99 наименований .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Впервые экспериментально и теоретически изучены процессы теплои массопереноса при охлаждении полого намагничивающегося цилиндра в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности в широких температурных интервалах.

2. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для определения локальных показателей интенсивности отвода тепла от различных участков внутренней и наружной стенок цилиндра в процессе охлаждения в магнитной жидкости.

3. Показано, что при охлаждении от начальной температуры цилиндра 800 °C без включения магнитного поля интенсивность отвода тепла от внутренней стенки гораздо выше интенсивности отвода тепла от наружной стенки. С понижением начальной температуры интенсивность охлаждения наружной и внутренней поверхностей цилиндра выравнивается.

4. Обнаружено возникновение интенсивного парожидкостного потока, выносящего магнитную жидкость из верхнего отверстия полого цилиндра при охлаждении его в магнитной жидкости без включения магнитного поля.

5. Показано, что возникновение интенсивного парожидкостного потока в объеме полого цилиндра при охлаждении его в магнитной жидкости без включения магнитного поля связано с образованием конгломератов пузырьков пара, не схлопывающихся в жидкости, заполняющей полость, вследствие быстрого ее прогрева.

6. Найдено, что при охлаждении полого цилиндра, изготовленного из ферромагнитной стали, в магнитной жидкости в магнитном поле от начальной температуры выше точки Кюри и выше температуры аустенизации в достаточно длительный начальный период охлаждение цилиндра происходит так же, как и в отсутствие магнитного поля — интенсивность отвода тепла от внутренней стенки выше интенсивности отвода тепла от наружной поверхности.

7. Предложено объяснение наблюдаемому явлению более быстрого охлаждения в магнитной жидкости в магнитном поле стенки полости цилиндра, по сравнению с интенсивностью охлаждения его наружной поверхности, при охлаждении от температур выше точки Кюри и температуры аустенизации, заключающееся в том, что достаточно длительный начальный период охлаждения образец находится в парамагнитном состоянии. При быстром охлаждении происходит задержка магнитного фазового перехода из-за задержки выпадения при быстром охлаждении магнитной а-фазы стали и в полости цилиндра возникает интенсивный парожидкостный поток, так же, как и при охлаждении без магнитного поля.

8. Найдено, что по завершении превращения цилиндра из парамагнитного в ферромагнитное состояние магнитная жидкость силами магнитного поля выталкивается из полости цилиндра и охлаждении его внутренней стенки происходит в паро-воздушной среде. На боковых точках внешней поверхности цилиндра (точках, у которых радиус-вектор, отсчитываемый от центра цилиндра, составляет с направлением вектора внешнего магнитного поля угол ±90°) при этих же температурах обнаружены полоски поверхности, свободные от осадка расслоившейся магнитной жидкости. Дается объяснение наблюдаемому явлению — полоски — следы паровых полостей, расположенных у боковых поверхностей полого цилиндра.

9. Путем экспериментального и теоретического моделирования методом наблюдения за распределением свободной поверхности магнитной жидкости в окрестности полого намагничивающегося цилиндра, находящегося во внешнем магнитном поле, показано, что найденные в экспериментах по охлаждению паровые полости в окрестности боковых участков поверхности цилиндра представляют собой конусообразные воронки, сужающиеся в направлении силы тяжести. Граница раздела пар-жидкость (или воздух жидкость в модельных экспериментах) проходит вдоль линии постоянства модуля вектора напряженности магнитного поля.

10.Проведено экспериментальное и теоретическое моделирование паровых полостей, окружающих наружную поверхность цилиндра в процессах охлаждения его в магнитной жидкости в магнитном поле для различных ориентаций оси цилиндра к направлению векторов приложенного внешнего магнитного поля и силы тяжести.

11.Показано, что при всех ориентациях коротких цилиндров относительно векторов приложенного внешнего магнитного поля и силы тяжести в окрестности наружной поверхности цилиндра образуется полость тороидальной формы. Ось тора сонаправлена с вектором внешнего приложенного магнитного поля. Просвет полости сужается в направлении силы тяжести.

12.В экспериментах по моделированию паровых полостей в окрестности поверхности длинных цилиндров найдено, что при определенном объеме жидкости, окружающей цилиндр, и соотношении длины цилиндра к его диаметру более десяти в малом магнитном поле в окрестности торцов цилиндра образуются четыре воздушные полости — по одной на каждую сторону приторцовой части цилиндра. С увеличением интенсивности приложенного внешнего магнитного поля полости удлиняются в направлении центральной части цилиндра. В большом магнитном поле происходит сращивание полостей и вблизи центральной части поверхности цилиндра образуются две воздушные полости — по одной на каждую сторону цилиндра. Дается объяснение наблюдаемому явлению.

13.Решена задача о распределении поля температур в стенке полого цилиндра, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности, и сделаны оценки термических напряжений.

14.Показано, что при неоднородном охлаждении цилиндра и при достигаемых в процессе охлаждения перепадах температур в стенке цилиндра термические напряжения не превышают предела упругости стали и не приводят к возникновению остаточных деформаций .

15.Поставлены эксперименты по изучению остаточных деформаций и фазового состава на различных участках полых толстостенных и тонкостенных цилиндров, подвергнутых охлаждению в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности.

16.Показано, что неоднородное охлаждение толстостенных полых цилиндров в магнитной жидкости в магнитном поле приводит к неоднородному распределению структуры в объеме стенки, при отсутствии остаточных деформаций. В результате охлаждения тонкостенных полых цилиндров в магнитной жидкости в магнитном поле в стенке цилиндра образуется равномерная структура и возникает остаточная деформация, приводящая к удлинению диаметров тонкостенных цилиндров в направлении, перпендикулярном вектору внешнего приложенного магнитного поля. Изначально круглое сечение цилиндра приобретает эллиптическую форму с направлением большой полуоси эллипса перпендикулярно направлению внешнего приложенного магнитного поля.

17.Результаты экспериментов, приведенные в работе, представляют существенный технологический интерес при оптимизации режимов термической обработки изделий машиностроения, выполненных в виде стальных полых цилиндров, работающих в условиях действия различных механических сил на разных участках поверхности изделия и при создании новых технологий изготовления деталей, когда на стадии термической обработки требуется обеспечить заданную форму сечения изделия, выполненного в виде полого стального цилиндра.