Численное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в магнитожидкостных системах со свободной поверхностью : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель В. К. Полевиков

Abstract

Объектом исследования являются самосогласованные задачи термомеханики магнитной жидкости. Основные цели работы: а) разработать эффективный численный алгоритм для компьютерного моделирования равновесной свободной поверхности статического кольцевого магнитожидкостного уплотнения (МЖУ) с учетом диффузии ферромагнитных частиц; б) с помощью разработанного алгоритма исследовать процесс диффузии и его влияние на форму и устойчивость свободной поверхности статического кольцевого МЖУ; в) исследовать влияние вызванного вращением вала вторичного течения в меридиональном сечении МЖУ на распределение концентрации магнитных частиц в объеме магнитной жидкости; г) изучить влияние термомагнитной конвекции на структуру вторичного течения и распределение температуры в уплотняющем слое; д) построить математическую модель и вычислительный алгоритм ее реализации для задачи о равновесных формах свободной поверхности магнитной жидкости с учетом диффузии и магнитодипольного взаимодействия частиц; ж) исследовать численно законы намагничивания магнитной жидкости в зависимости от концентрации частиц в уплотняющем слое; и) изучить влияние магнитодипольного взаимодействия частиц на намагниченность жидкости и процесс магнитофореза на задаче об устойчивости слоя магнитной жидкости в однородном магнитном поле. Основными методами исследований являются методы численного моделирования. В результате проведенной работы разработан алгоритм численного моделирования равновесных форм свободной поверхности статического МЖУ с учетом диффузии магнитных частиц, включая предельный случай, когда концентрация частиц вблизи полюсного наконечника магнита достигает плотной упаковки. Показано, что диффузия частиц оказывает существенное влияние на характеристики статического МЖУ. Построены зависимости критического перепада давления от объема уплотняющего слоя. Разработан метод численного моделирования равновесной свободной поверхности магнитной жидкости в условиях маг-нитодипольного взаимодействия частиц, с помощью которого установлено, что взаимодействие частиц оказывает существенное влияние на диффузию частиц и равновесную форму поверхности. Установлено, что вторичные течения, возникающие в МЖУ вращающего вала, выравнивают распределение частиц и температуры в МЖУ, повышая его эксплуатационный ресурс. Построенные алгоритмы и полученные с их помощью численные результаты могут быть использованы организациями научно-исследовательского и опытно-конструкторского профиля, связанными с разработкой магнитоуправляемых гидравлических систем на основе магнитных жидкостей. Такие организации существуют в Беларуси, России, Франции, Японии, Латвии, Германии и других странах. Алгоритмы и методы, разработанные в рамках проекта, используются в учебном процессе на кафедре вычислительной математики БГУ при чтении спецкурсов, в процессе выполнения лабораторных работ по теме спецкурсов, а также при подготовке курсовых и дипломных работ.