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磁流变液在多孔介质中的流动研究

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:作为多孔介质重要分支的多孔泡沫金属已得到广泛应用,目前,对于磁流变液在泡沫金属中的流动已取得一定的成果。图1.14简化模型图1.15速度分布由图1.17 可知,磁流变液的流速随着磁场强度的增大而减小。综上所述,目前对于磁流变液在多孔介质中的流动研究集中于在大尺寸通道中的流动,而对在尺寸较小的通道甚至微通道中的流动研究较少。

磁流变液在多孔介质中的流动研究

多孔泡沫金属内部结构比较复杂,呈网状的交织结构,孔径一般为0.1 ~10 mm,孔隙率范围为40% ~98%,具有比重小、孔隙率高、比表面积大、孔径范围宽的优点。其中,流体在泡沫金属中的流动特性受到众多学者的关注。由于泡沫金属的孔径较小,属于微尺度范围,有关研究表明液体在微通道内部的流动现象有其特有的机理和规律,与常规大尺寸管道内部的流动有很大区别。

Ronnie 用粒子图像测速法(PIV)得到低雷诺数粘弹性流体经过多孔介质的速度分布,发现流体在多孔介质中的流速沿中心对称,且在中心处速度绝对值最大。在外加磁场作用下,磁流变液表现出一定的粘弹性流体特性。为了研究不同流动通道和场强对磁流变液效应的影响,苏联学者Shulman 通过实验研究对比发现磁流变液在多孔床中流动比在螺旋通道中流动产生的磁流变液效应更强,还有学者研究了磁场和电场的共同作用对磁流变液速度的影响。作为多孔介质重要分支的多孔泡沫金属已得到广泛应用,目前,对于磁流变液在泡沫金属中的流动已取得一定的成果。Kuzhir 采用理论与实验相结合的方法详细描述了磁流变液在不同类型泡沫金属(束状管道、带有磁性及非磁性球状和圆柱状颗粒的填充床)中的流动,Ricken 研究了微米级多孔介质内的相流,为泡沫金属在磁流变液技术方面的应用提供了理论基础。Victor 和法国学者Georges 对磁流体毛细管流动及其表面不稳定性做了大量研究,建立了磁流体在毛细管中的上升理论,并预测了磁流变液在多孔介质中流动的压降,为将多孔泡沫金属应用于磁流变液阻尼器提供了有力的理论依据。根据这一原理,上海大学的刘旭辉等用实验研究了磁流变液在外加磁场作用下的上升现象,并研究了在磁场作用下磁流变液的表面不稳定性,建立了磁流变液在外加磁场作用下的升高模型,为研究磁流变液在磁场力作用下的上升提供了理论依据。

采用实验方法研究磁流变液的流动特性,不仅耗时长,而且成本高。最近,土耳其学者Gedik 等利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)研究了两固定平行板间的磁流变液在外部磁场作用下的稳定层流,简化模型如图1.14 所示。图1.15 和图1.16 是得到的磁流变液流速分布。

图1.14 简化模型

图1.15 速度分布(www.xing528.com)

由图1.17 可知,磁流变液的流速随着磁场强度的增大而减小。同时,由静态压强分布得到,磁场强度为零时,压强在整个流动区域线性减小。对于施加磁场区域,施加磁场后,压强急剧减小,且磁场强度越大,压强减小越快;而在未施加磁场的区域,压强仍然呈线性减小状态。

磁流变液在微通道中的流动非常复杂,而且微米级磁性颗粒可能造成堵塞,并不是所有的磁流变液都能顺利通过微通道。为此,Whiteley 和Gordaninejad 经反复实验,配置了一种可以流经微孔道(0.075 ~1 mm)且能够产生磁流变液效应的磁流变脂,并研究了孔隙直径对压降的影响,为磁流变液的进一步应用的可行性提供了理论依据。Bruno 和Constantin 用COMSOL Multiphysics 研究并建立了磁流变液通过微通道的理论模型,分析了在磁场力作用下,磁流变液在微通道中的流动与频率的关系,并得到结论:不同螺线管的状态会产生不同的流动速率。

综上所述,目前对于磁流变液在多孔介质中的流动研究集中于在大尺寸通道中的流动,而对在尺寸较小的通道甚至微通道中的流动研究较少。

图1.16 不同磁场作用下的速度分布云图

图1.17 压强分布

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