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磁性流体微尺度流动规律实验研究

曹孟菁  
【摘要】:磁性流体是一种既具有固体的磁性又具有液体的流动性且对磁场敏感的液体,因其具有特殊的特性,已被广泛应用于润滑、密封、研磨、分离、生物医药等领域。因此研究磁性流体的流动行为对于工程流体力学、功能性的体内磁性粒子的生物应用以及对于认识一些在力场下流体流动行为研究有着重要的意义。随着液体微尺度流动研究工作的大量展开,部分学者对磁性流体在微尺度下的流动行为进行了研究,但主要集中在对磁性流体的密度、粘度、聚集等情况的理论研究,而对其在微尺度下的非线性流动特征的实验研究和理论研究工作很少,对其认识尚未明确。因此本文以微尺度圆管流动实验为基础,通过对不同外加径向磁场作用下磁性流体在管径为50-200微米圆管中的流动规律进行实验研究,揭示在微尺度下磁性流体非线性流动特征的根本原因。具体内容如下:(1)通过流动实验装置的设计及其对实验误差的分析,验证实验手段和实验仪器的精确性,进而保证了实验结果的可靠性。(2)采用材料化学方法制备出了粒径均一、分散较好的具有铁磁性的PAA/Fe3O4磁性微球,并采用改性StOber方法对磁性PAA/Fe3O4微球进行包覆,合成了具有良好分散性和均一性的铁磁性PAA/Fe3O4@SiO2磁性颗粒。在此基础上,以丙三醇为基液合成了不同浓度的具有顺磁性PAA/Fe3O4@SiO2磁性液体。(3)通过改变外加径向磁场磁感应强度、磁性流体的浓度、管径的大小和管壁的润湿性研究了磁性流体在外加径向磁场的水平圆管中的平均流速与压力梯度之间的关系,得到了以雷诺数Re约为1.4×10-4为临界值来判据磁性液体在受到外加径向磁场力的微圆管中流动时是否出现非线性流动特征。(4)从考虑磁性力引起的体积力、磁性流体的微可压缩性和外加径向磁场力的作用使磁性悬浮液体的粘度发生改变等方面,对磁性流体在微圆管中流动机制进行了研究,分析出了外加径向磁场力的作用使磁性液体的粘度发生变化是导致磁性液体在受到其作用时产生非线性流动特征的根本原因。(5)以雷诺数Re约为1.4×10-4为临界值建立了考虑磁性力引起磁性颗粒不均匀分布的粘度模型,并在此基础上建立了考虑磁性力引起粘度改变的速度模型,通过与实验进行对比,确定了模型中的参数,分析验证了此模型能够反映磁性流体在微尺度下非线性流动特征。


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