Особенности поведения плоской осесимметричной капли магнитной жидкости в немагнитном растворителе в однородном магнитном поле

Работа посвящена экспериментальному исследованию процесса растворения магнитной жидкости в немагнитном растворителе под действием однородного магнитного поля. Экспериментально установлено, что в объеме магнитной жидкости, окруженном смешивающейся с ней жидкостью-растворителем, под действием однородного магнитного поля возникает механическое движение, приводящее к деформации этого объема. Первоначально осесимметричный объем жидкости принимает эллипсоидальную форму и удлиняется вдоль направления магнитного поля. Основной причиной этого движения являются перепады давления в магнитной жидкости, вызванные скачками и неравномерностями магнитного поля на границе раздела магнитных и немагнитных сред. Одновременно с механическим движением происходит диффузионное растворение магнитной жидкости, которое также сопровождается движением диффузионного фронта на границе раздела жидкостей. Возникающие при этом градиенты концентрации магнитных частиц вызывают градиенты намагниченности жидкости и, как следствие, градиенты напряженности магнитного поля. В совокупности это приводит к возникновению объемной магнитной силы в магнитной жидкости и связанных с ней градиентах давления. Установлены основные закономерности этого процесса: зависимость изменения геометрических характеристик объема и скорости его деформации от времени. Показано, что на начальном этапе процесса скорость механического движения границ объема магнитной жидкости значительно превышает скорость движения диффузионного фронта. Так, начальная скорость механического удлинения капли в условиях эксперимента составляет 0,25 мм/мин, а скорость распространения диффузионного фронта 0,08 мм/мин. Со временем эти процессы замедляются и прекращаются, когда объем магнитной жидкости полностью растворяется. При этом механическое удлинение капли прекращается первым и в рассматриваемом случае занимает порядка десятка минут.

1. Rosensweig R. E. (1985) Ferrohydrodynamics. Cambridge, Cambridge University Press Publ. 344.

2. Blums E., Cebers A., Maiorov M. (1997) Magnetic Fluids. Berlin, Walter de Gruyter Publ. 416. https://doi.org/10.1515/9783110807356.

3. Bashtovoi V. G., Berkovsky B. M., Vislovich A. N. (1988) Introduction to Thermomechanics Magnetic Fluids. New York, Hemisphere Publ. Corp. 216.

4. Berkovsky B., Bashtovoi V. (ed.) (1996) Magnetic Fluids and Applications Handbook. New York, Begell House Inc. Publ. 851.

5. Magnet C., Kuzhir P., Bossis G., Meunier A., Nave S., Zubarev A., Lomenech C., Bashtovoi V. (2014) Behavior of Nanoparticle Clouds around a Magnetized Microsphere under Magnetic and Flow Fields. Physical Review E, 89 (3), 032310. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.89.032310.

6. Rymasheuskaya K. D. (2017) The Improvement of Low-Waste Technologies of Working Body of Water Preparation at Thermal and Nuclear Power Plants. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (4), 367–379. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-4-367-379 (in Russian).

7. Tarapov I. E. (1974) Hydrodynamics of Magnetizable and Polarizable Media. Fluid Dynamics, 9 (5), 806–810. https://doi.org/10.1007/BF01017431.

8. Arkhipenko V. I., Barkov Iu. D., Bashtovoi V. G. (1979) Shape of a Drop of Magnetized Fluid in a Homogeneous Magnetic Field. Magnetohydrodynamics, 14 (3), 373–375.

9. Васri J. C., Salin D. (1982) Instability of Ferrofluid Magnetic Drops under Magnetic Field. Journal de Physique Lettres, 43 (17), L649–L654. https://doi.org/10.1051/jphyslet:019820043017064900.

10. Langins A. A., Stikutsa A. P., Cebers A. (2022) A Three-Dimensional Boundary Element Method Algorithm for Simulations of Magnetic Fluid Droplet Dynamics. Physics of Fluids, 34 (61), 062105. https://doi.org/10.1063/5.0092532.

11. Gogosov V., Simonovskii A. Yu., Smolkin R. D. (1990) Quenching and Separation in Magnetic Fluids. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 85 (1–3), 227–232. https://doi.org/10.1016/0304-8853(90)90057-W.

12. Bashtovoi V. G, Challant G., Volkova O. Yu. (1993) Boiling Heat Transfer in Magnetic Fluids. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 122 (1–3), 305–308. https://doi.org/10.1016/0304-8853(93)91097-Q.

13. Bashtovoi V., Kovalev M., Reks A. (2005) Instabilities of Bubbles and Droplets Flows in Magnetic Fluids. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 289, 350–352. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2004.11.099.

14. Bashtovoi V., Kuzhir P., Reks A. (2002) Impact Between a Magnetic Fluid Drop and a Magnetic Fluid Surface. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, 280–282. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)00601-7.

15. Labkovich O. N. (2017) Reduction of Friction Losses due to the Vortex Flow of the Magnetic Fluid Caused by the Additives of Carbon Nanotubes. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (3), 265–275. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-3-265-275 (in Russian).

16. Berkovsky B., Bashtovoi V. (1980) Instabilities of Magnetic Fluids Leading to a Rupture of Continuity. IEEE Transections on Magnetic, 16 (2), 288–297. https://doi.org/10.1109/TMAG. 1980.1060613.

17. Bashtovoi V., Pogirnitskaya S., Reks A. (1999) Dynamics of Deformation of Magnetic Fluid Flat Drops in a Longitudinal Magnetic Field. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 201 (1–3), 300–302. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(99)00144-4.

18. Derec C., Boltenhagen P., Neveu S., Bacri J.-C. (2008) Magnetic Instability between Miscible Fluids in a Hele-Shaw Cell. Magnetohydrodynamics, 44 (2), 135–142. https://doi.org/10.22364/mhd.44.2.6.

19. Huanhao Li, Chun-Yi Kao, Chih-Yung Wen. (2018) Labyrinthine and Secondary Wave Instabilities of a Miscible Magnetic Fluid Drop in a Hele-Shaw Cell. Journal of Fluid Mechanics, 836 (2), 374–396. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.739.

20. Shyam S., Mondal P. K., Mehta B. (2021) Magnetofluidic Mixing of a Ferrofluid Droplet under the Influence of a Time-Dependent External Field. Journal of Fluid Mechanics, 917 (2), A15. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.245.