磁场强化磁性液体自然对流传热的机理

在均匀磁场或梯度磁场各处密度变化不均等.
对于磁场中的磁性液体 , 磁场力和重力 、温度
梯度一起影响着磁性液体的密度变化和自然对流.
所以建立一个和重力等效的变化均等的磁场力 , 对
研究磁场强化磁性液体自然对流传热很有必要.
11 2 使磁性液体各处密度均等的磁场
磁性液体是超顺磁性物质 , 其磁化强度随外磁
在已有的文献中实验采用的都是均匀磁场或梯
度磁场 , 由于磁性液体是顺磁性物质 , 磁化了的磁 性液体也要激发附加磁场 , 对原磁场产生影响 , 而 且磁性液体的磁化强度随外加磁场强度的变化呈非
线性变化 , 所以磁性液体在均匀磁场或梯度磁场中
各处受磁场力作用的变化不均等 , 各处密度变化不
均等. 这在式 (2) 中也可直观的发现 , 磁性液体
第 56 卷 第 2 期 2005 年 2 月
化 工 学 报
Vol1 56 No1 2
Journal of Chemical Indust ry and Engineering (China)
February 2005
研究论文
mm 的漆包线 , 一组上下外线圈 , 相同轴心 , 相同
匝数 , 相同电流方向 , R1 = h = 75 mm , 电流强度
I1 = 11 5 A , 线圈匝数ω1 = 3000 匝 , 真空磁导率为
μ0 = 4π×10 - 7 N ·A - 2 , 建立一个均匀磁场 , 使磁
性液体达到饱和磁化状态 , 产生的磁感应强度
2003 - 11 - 09 收到初稿 , 2004 - 5 - 10 收到修改稿. 联系人 : 王正良 (1965 —) , 男 , 高级实验师. 基金项目 : 宁波市青年科学基金 (A620020) .
Received date : 2003 - 11 - 09. Corre sponding author : WAN G Zhengliang , senior lab
B1
=
01 7155μ0ω1 R1
I1
= 01 0539 T
(5)
另一组上下内线圈 , 相同轴心 , 相同匝数 , 电
流方向相反 , 3 R2 = h = 75 mm , 电流强度 I2 = 11 0～21 0 A , 可调 , 线圈匝数 ω2 = 3000 匝 , 建立
第 2 期
王正良 : 磁场强化磁性液体自然对流传热的机理
磁场强化磁性液体自然对流的实质是磁场力对磁性液体的作用认为外加磁场增加了磁性液体的粒子与粒子粒子与液体粒子与壁面之间的相互作用及碰撞增强了磁性液体的传热另一方面实验研究中也没有考虑到不同类型的磁场梯度磁场均匀磁场等对磁性液体作用的效果不一样致使不同的学者采用不同类型的磁场提出了各自不同的分析结果至今尚未有一个公认的描述磁场强化磁性液体自然对流传热的可供实际应用的关系式磁场力对磁性液体的作用可直观地表现为磁场改变磁性液体的表观密度而自然对流是由流体密度变化而产生的浮力作用产生的基于这种宏观上的认识本文建立起磁场强度变化与磁性液体自然对流传热之间的关联式另一方面本文通过对磁场中的磁性液体的力学分析建立了一个由均匀磁场和均匀梯度磁场矢量叠加合成的新磁场新磁场使磁性液体各处表观密度变化均等各处自然对流传热变化均等从而使磁场对磁性液体强化传热的贡献得以比较准确的测量论证了磁场强度磁性液体表观密度和grashof数之间的关联式磁场对磁性液体作用的静力学分析取任意一个磁性液体微团体积为磁性液体的磁化强度为磁力和重力的单位合力为可知磁性液体的表观密度和表观加速度由重力和磁力两者产生当重力和磁力方向相同时表观密度和表观加速度增大磁性液体实际处于超重状态在已有的文献中实验采用的都是均匀磁场或梯度磁场由于磁性液体是顺磁性物质磁化了的磁性液体也要激发附加磁场对原磁场产生影响而且磁性液体的磁化强度随外加磁场强度的变化呈非线性变化所以磁性液体在均匀磁场或梯度磁场中各处受磁场力作用的变化不均等各处密度变化不均等中也可直观的发现磁性液体在均匀磁场或梯度磁场各处密度变化不均等对于磁场中的磁性液体磁场力和重力温度梯度一起影响着磁性液体的密度变化和自然对流所以建立一个和重力等效的变化均等的磁场力对研究磁场强化磁性液体自然对流传热很有必要使磁性液体各处密度均等的磁场磁性液体是超顺磁性物质其磁化强度随外磁场增大而增大最后达到饱和磁化状态此时所有的磁性微粒的分子磁矩均按外磁场方向排列外磁场继续增大磁性液体的磁化强度不再增大设所以使磁性液体呈饱和磁化状态是使磁场对磁性液体各处作用力均等的条件之一可知建立一个均匀的梯度磁场使得所以均匀梯度磁场是磁场对磁性液体各处作用力均等的条件之二实验装置和实验测试根据磁性液体的静力学分析设计实验装置如非磁性的铝框架里绕制了上下两组直径044mm的漆包线一组上下外线圈相同轴心相同匝数相同电流方向犚1犺75mm电流强度线圈匝数1
磁场力对磁性液体的作用可直观地表现为磁场 改变磁性液体的表观密度. 而自然对流是由流体密 度变化而产生的浮力作用产生的. 基于这种宏观上 的认识 , 本文建立起磁场强度变化与磁性液体自然 对流传热之间的关联式. 另一方面本文通过对磁场 中的磁性液体的力学分析 , 建立了一个由均匀磁场 和均匀梯度磁场矢量叠加合成的新磁场 , 新磁场使 磁性液体各处表观密度变化均等 , 各处自然对流传 热变化均等 , 从而使磁场对磁性液体强化传热的贡 献得以比较准确的测量. 论证了磁场强度 、磁性液 体表观密度和 Grashof 数之间的关联式.
Fig1 2 Device on coefficient of heat t ransfer of magnetic fluid in synt hesized magnetic field 1 —test unit on coefficient of heat t ransfer of
第 56 卷
Δ
Δ
Δ
强化磁性液体自然对流的实质是磁场力对磁性液体 的作用 , 认为外加磁场增加了磁性液体的粒子与粒 子 、粒子与液体 、粒子与壁面之间的相互作用及碰 撞 , 增强了磁性液体的传热. 另一方面实验研究中 也没有考虑到不同类型的磁场 (梯度磁场 、均匀磁 场等) 对磁性液体作用的效果不一样 , 致使不同的 学者采用不同类型的磁场提出了各自不同的分析结 果 , 至今尚未有一个公认的 、描述磁场强化磁性液 体自然对流传热的可供实际应用的关系式[3] .
·237 ·
一个均匀梯度磁场
dB2 dh
=
01 6412934μ2ω2 R22
I2
= 01 00125 I2
( T
·m -
1)
(6)
均匀梯度磁场和均匀磁场分别由以上两组同轴
的线圈产生并合成 ( a , b , c) 区域 , 使得磁性液
体的任意一微团处于 ( a , b, c) 区域内的任意一
点都可以受到一个均等的磁力.
Key words : magnetic field ; magnetic fluid ; enhanced nat ural co nvectio n heat t ransfer
引 言
磁性液体是吸附着表面活性剂的固体磁性微粒 分散于水 、煤油 、氟里昂等不同基液中形成的稳定
的胶体溶液[1] . 近几年来 , 磁性液体作为一种新型 的传热介质备受关注 , 它在磁场作用下用于强化传 热 , 可使自然对流的传热系数大大提高[2] . 已有的 文献基于微观热扩散理论做了一些定性分析 : 磁场
场增大而增大 , 最后达到饱和磁化状态 , 此时 , 所
有的磁性微粒的分子磁矩均按外磁场方向排列 , 外
磁场继续增大 , 磁性液体的磁化强度不再增大 , 设
Ms 为饱和磁化强度 , 则
∫ ∫ B
B
ρ′= ρ±
MdB
0
Ms = ρ±
dB
0
= ρ±Ms
B
(4)
g
g
g
所以使磁性液体呈饱和磁化状态是使磁场对磁
WANG Zhengliang
( I nstit ute of A p p lie d Physics , Zhej i an g W anli U ni versit y , N i n gbo 315101 , Zhej i an g , Chi na)
Abstract : In a gravit y field , t he changes of fluid densit y cause nat ural co nvectio n , while in a magnetic field , t he apparent densit y of magnetic fluid changes markedly wit h t he change of t he intensit y of external magnetic field. Therefore , magnetic field can influence t he nat ural co nvectio n of t he magnetic fluid. Thro ugh static calculatio n and analysis , a synt hesized magnetic field can be established resulting f ro m t he coaxial superpo sitio n of a uniform magnetic field and a unifo rm gradient magnetic field. The change of t he densit y of magnetic fluid caused by t he synt hesized magnetic field is equal everywhere in t he fluid , and nat ural co nvectio n heat t ransfer is al so equal everywhere. Thus t he apparent densit y and t he coefficient of nat ural co nvectio n heat t ransfer can be accurately measured and a correlatio n equatio n can be established bet ween magnetic field intensit y , apparent densit y and t he Grashof criterio n of t he magnetic fluid. Accordingly , t he increase of magnetic field intensit y causes an increase of apparent densit y of magnetic fluid , which is magnetic fluid in a state of overweight . That is t he mechanism of nat ural co nvectio n heat t ransfer of magnetic fluid enhanced by magnetic field.
1 实验系统
11 1 磁场对磁性液体作用的静力学分析 取任意一个磁性液体微团体积为ΔV , 磁性液
体的磁化强度为 M , 磁性液体密度ρ, 重力加速度
g , 重力方向的单位矢量 k , 磁感应强度为 B , 如
图 1 所示 , 磁力为 f 1 , 重力为 f 2 , 磁力和重力的 单位合力为 f , 则
assistant . E - mail : wzlcsf @21cn1 co m Foundation item : supported by t he Yout h Science Foundation of
Ningbo Cit y ( A620020) .
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化 工 学 报
磁场强化磁性液体自然对流传热的机理.
关键词 : 磁场 ; 磁性液体 ; 强化自然对流传热
中图分类号 : T K 124 文献标识码 : A
文章编号 : 0438 - 1157 (2005) 02 - 0235 - 04
Mechanism of natural convection he at transfer of magnetic fluid enhanced by magnetic field
∫ f = f 1 + f 2 =
B
MdB ±ρgk
(1)
0
磁性液体的表观密度方程
∫ ∫B
f dV
MdB
ρ′= v
Hale Waihona Puke = ρ± 0(2)g dV
g
磁性液体的表观加速度方程
∫ ∫ g′=
B
f dV
MdB
v
m
=
g
±
0
ρ
(3)
Fig1 1 Tiny mass of magnetic fluid
由式 (1) 和式 (2) 可知 , 磁性液体的表观密 度和表观加速度由重力和磁力两者产生. 当重力和 磁力方向相同时 , 表观密度和表观加速度增大 , 磁 性液体实际处于超重状态[4] .
的增大而增大 , 所以当磁场方向与重力方向相同 时 , 磁性液体的自然对流得到强化. 另外 , 当磁场 方向与重力方向相反时 , 磁性液体处于失重状态 , 当重力和磁力抵消时 , 磁性液体处于微重力状态 , 磁性液体的自然对流被削弱 , 其他如 Marango ni 对流等形式反成主要的 , 这需要更进一步的研究.
磁场强化磁性液体自然对流传热的机理
王正良
(浙江万里学院应用物理研究所 , 浙江 宁波 315101)
摘要 : 在重力场中流体密度变化产生自然对流 , 在磁力场中磁性液体的表观密度随外加磁场强度的变化而明显
变化 , 磁场可以改变磁性液体的自然对流. 通过对磁场中的磁性液体的静力学计算和分析 , 建立一个由均匀磁
性液体各处作用力均等的条件之一. 由式 (4) 可知 , 建立一个均匀的梯度磁场 ,
使得 B 值为恒值 , 从而可使ρ′为恒值. 所以均匀 梯度磁场是磁场对磁性液体各处作用力均等的条件
之二.
11 3 实验装置和实验测试
根据磁性液体的静力学分析 , 设计实验装置如
图 2. 非磁性的铝框架里绕制了上下两组直径 01 44
场和均匀梯度磁场同轴叠加的合成磁场 , 合成磁场使磁场引起的磁性液体密度变化各处均等 , 各处的自然对流
传热均等 , 从而使磁性液体的表观密度和自然对流传热系数得以准确测量 , 由此建立起磁性液体的磁场强度 、
表观密度 、Grashof 数之间的关联式. 磁场强度的增大使磁性液体表观密度增大 , 使磁性液体处于超重状态 , 是