（热能工程专业论文）温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究.pdf

壤士论文温度敏感型磁流体自动冷却回路的传熟特性研究 摘要 温度敏感型磁流体具有普通磁流体的磁性、流动性及其它许多特殊性质，而且与 普通磁流体不同的是由于其磁化强度随温度变化很大，因此很小的温度变化即可使其 磁化强度发生显著变化，从而得到很大的驱动力推动磁流体流动。温度敏感型磁流体 自动冷却回路就是采用某些居里温度较低的温度敏感型磁流体作为流动介质，利用磁 流体的温度特性、磁热效应等性质，不需要外加泵，只在外加磁场和温度场的作用下 使其循环流动，实现能量的自主传输。 论文建立了温度敏感型磁流体在自动冷却回路中的流动与能量传输的宏观数学 模型，并在此基础上对其流动传热特性进行了数值计算和实验研究。分析了回路中的 磁流体在有无磁场作用时的流动情况，分析了不同体积浓度的磁流体、不同的磁场性 质、磁场强度、磁场梯度大小、方向、加热冷却功率以及加热相对位置等因素对自动 冷却回路流动传热特性的影响。 关键词；温度敏感型磁流体自动冷却回路居里温度磁化强度数值模拟实验 硬士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的抟热特性研究 a b s t r a c t t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em a g n e t i cf 1 l l i dh 船t h e 锄em a g n e t i s ma n du q u i d i t ya st h e o t h e rm a g n e t i cf l u i d s b u ti t ss p e c i a lp r o p e r t y st h a tt h em a g n e t i z a t i o nl a r g e l yd e p e n d so n t e m p e r a m r e 。8 0o v e n8v e r ys m a l lc h a n g eo ft e m p e r a t u r eg a l li n d u c eo b v i o u sc h a n g eo f m a g n e t i z a t i o n , a n da c c o r d i n g l yp r o d u c eal a r g ef o r c eo i lt h em a g n e t i cf l u i dt om a k ei tf l o w t h ea u t o m a t i cc o o l m gd e v i c ed e p e n d so nt h et h e r m a la n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h e m a g n e t i cf l u i d , a n du s8 0 m et e m p o m t u r e - s e n s i t i v em a g n e t i cf l u n1 1 舱f l u i d sc u r i e t e m p e r a t u r es h o u l d b e a s l o w e r 鹪p o s s i b l e i tc a ni n a k et h em a g n e t i cf l u i df l o w c o n t i n u o u s l yw i t h o u ta n o t h e rp u m pu s i n go n l yt h ee x t e r n a lt h e r m a la n dm a g n e t i cf i e l d s 砌sp a p e re s t a b l i s h e s t h em a c r o s c o p i cm o d e lo ft h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ft h e t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em a g n e t i cf l u i di nt h ea u t o m a t i cc o o l i n gd e v i c e t h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o o l i n g d e v i c ea i e i n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y n l i sp a p e ra n a l y z e st h em a g n e t i c f l u i d sf l o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sw i t ho rw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d n l ee f f e c t so fv o l u m e 鱼d l e f i o no fm a g n e t i c p a r t i c l e s ，m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h , m 雒i l e t i cf i e l dg r a d i e n t , p o w e ro fb e a t i n ga n dc o o l i n g a n dt h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h eh e a t e re t c o nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i e so f t h ea u t o m a t i cc o o l i n gd e v i c ea r ed i s c u s s mi nd e t a i l k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em a 弘e t i cf l u i d s ，a u t o m a t i cc o o l i n gd e v i c e ，c l l r i e t e m p e r a t u r e ，m a g n e t i z a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , e x p e r i m e n t n 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传熟特性研究 主要符号表 拉丁字母 磁化强度矢量( a m )否 磁场强度矢量c a m ) 臃 玻尔兹曼常数( j 依) 足 磁流体的居里温度( k )l 磁流体的饱和磁化强度( a m ) f , 玻璃管的横截面积( m 2 ) ， 磁性粒子材料的磁化强度( a m ) r 玻璃管的内径( m )d 耐 自动冷却回路的加热功率( w ) 乙 加给自动冷却回路的热流密度c w m 2 ) s 磁流体的对流换热系数( w m 2 k ) l 加热端外壁面平均温度( k )a 瓦 回路中磁流体的质量流量( k g s ) d 希腊字母 真空磁导率( h m ) 磁介质的磁导率( h m ) 磁性粒子的密度( k g m 3 ) 磁流体动力粘度( p a s ) 磁流体的导热系数( w m k ) 磁流体中磁性粒子的体积浓度 磁介质的等效磁荷体密度( w b m 3 ) 磁介质的等效磁荷面密度( w h i m 2 ) 磁感应强度矢量( t ) 磁性粒子磁矩( a m 2 ) 热磁系数c a i n k ) 磁流体的温度( k ) 磁流体的流动速度( m s ) 玻璃管路的总长度( m ) 玻璃管的半径( m ) 玻璃管的外径( m ) 自动冷却回路的冷却温度( k ) 对流换热面积( m 2 ) 加热端内壁面平均温度( k ) 对数平均温差( k ) 磁性粒子的直径( r i m ) 磁流体的磁化系数 磁流体的密度( k g m 3 ) 基液的密度( k g m 3 ) 磁流体运动粘度( m 2 s ) 磁流体的比热( j k g k ) 比饱和磁化强度c e m u g ) 标量磁位( a ) 朗之万自变量 v 砺再毛巧m a 鸩见q g 厅前 z户岛y勺q手=岛叮2以几风 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：翻! 莹：。5 年6 月z ；日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：幺! 量： 妒6 年月哆日 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 l 绪论 1 1 研究背景 磁流体( m a g n e t of l u i d ) 又称铁磁流体( f e r r of l u i d ) 或磁液( m a g n e t i cl i q u i d ) ， 它是指在液体中添加具有磁性的纳米颗粒( 如f e 3 0 4 、y - f e 2 0 ，f e 、c o 、n i 、f e r n 等) 形成的一类兼具磁体的磁性和液体流动性的功能流体由于磁流体具有其它固态 磁性材料和其它液体所没有的一系列新性质，可根据需要利用外加磁场控制其流动及 其它物理性质，因此，自磁流体的概念出现以来，国内外研究人员对磁流体的应用研 究十分活跃 磁流体作为一种新型的液体功能材料，由于它特殊的优点，无论是在理论研究还 是在实际应用上，都被人们广泛地关注。在基础理论研究方面，r o s e n s w e i g 等做了开 拓性工作【l 】，提出了铁磁流体的有关流体动力学方程和热力学方程，从而为磁流体的 发展奠定了坚实的基础。磁流体的应用研究始于6 0 年代，首先由美国宇航局在阿波 罗行动计划中用于宇航服的密封。6 0 年代末，美国成立了磁流体公司，专门从事纳 米磁流体的研究和开发，随后世界许多国家如：英、日、苏、德等，相继开展了磁流 体的基础和应用性研究，并将其应用领域很快推广到航空航天、机械、电子、遥测、 遥控、能源，化工、冶金、仪表、环保、医疗等诸多领域郾l 。7 0 年代，人们对磁流 体在外磁场下所表现出的特殊性进行了广泛的探索和研究。之后，国内外对磁流体的 研究和应用开发十分活跃。我国7 0 年代中期开始研制磁流体，并已用于密封、止推 轴承【4 j 1 等。近年来，随着科技的不断发展，磁流体的应用范围也不断拓展 6 , 7 1 ，从军 工到民用，已渗透到国民经济的各个领域。目前，磁流体的研究应用主要在动态密封、 生物医学、复合材料、能量转换、热交换、传热器等方面。如在润滑方面1 2 ，大型设 备和高精度高转速转动轴的轴承润滑、计算机硬盘驱动器轴的润滑、机器人和精密仪 器关节的润滑、齿轮箱传动齿轮的润滑等，磁流体的应用大大提高了设备或部件的事 业寿命；在普通扬声器音圈中注入少量的磁流体，便可改善扬声器的性能；在印刷方 面，通过计算机控制使流体偏转的磁场就可以使磁性墨水按一定的形状排列，从而 实现无声的快速印刷哺1 ；在生物医学方面，利用磁流体作药物载体，通过磁场控制， 可实现定向给药协1 0 1 。总之，磁流体当前已成为令人瞩目的具有重要应用前景的一种 功能材料。 以往，磁流体的研究多侧重于磁流体的磁学效应及其在机械传动方面的相关应用 技术，面对于磁流体在传热方面的研究则相对滞后。随着磁流体研究的深入，人们发 现磁流体不仅具有磁性质，应用于密封、润滑等场合，而且磁流体还具有独特的流动 性能和热性能。与普通纳米流体相比，由于磁流体具有磁体的磁性，它的一些热物性 参数( 如粘度、密度、比热、导热系数和扩散系数等) 会随着外加磁场的强度、方向 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 以及磁场性质的变化而改变，从而成为一种。可控”的传热介质，能够大大提高传热 效率，实现磁流体流动和能量传递过程的可控性，因此在热力学方面有很大的利用价 值和广泛的应用前景，可以满足一些特殊场合的传热要求，如：磁致热泵【”】、回热型 磁热转化装置等。另外，由于某些温度敏感型磁流体的饱和磁化强度会随着温度的变 化而显著变化，利用磁流体的温度特性和磁热效应等性质，在外加磁场的作用下，运 用这些磁流体作为流动介质的系统，在不附加其它外加能量驱动的情况下，即可以实 现能量的直接转化或传递，例如温度敏感型磁流体自动冷却回路等。 温度敏感型磁流体是指磁化强度随温度的变化而显著变化的磁流体。它具有普通 磁流体的磁性、流动性及其它许多特殊性质，而与普通磁流体不同的是由于其磁化强 度随温度变化很大，因此很小的温度变化即可使其磁化强度发生显著变化，从而得到 很大的驱动力推动磁流体流动。因此，温度敏感型磁流体对于增强对流传热、小型高 性能的热交换器以及本文所研究的自动冷却回路的开发均有着十分重要的意义。 温度敏感型磁流体自动冷却回路就是利用磁流体的温度特性和磁热效应等性质， 采用某些居里温度较低的温度敏感型磁流体作为流动介质，将其充满整个密闭玻璃回 路，如图1 1 所示，其一端加热，另一端冷却。温度低于居里温度的磁性粒子会被吸 引到螺线圈或永磁体产生的磁场区域，当磁流体进入加热区域时，温度升高，并且随 着其温度逐渐接近居里温度点，磁化强度也逐渐减小。直至温度升至居里温度点以上， 磁性消失这样，在磁场区域内的磁性粒子的磁化强度就存在差异，因而受力不平衡。 又由于粒子与载液的相互作用，磁流体就会在磁力的推动下而流动，当磁流体流到冷 却端，释放热量温度降低，磁性粒子的磁化强度重新恢复或升高，继续流动至加热端， 再次吸热，温度升高而磁性降低或消失，继续在磁力的推动下而流动至冷却端，循环 工作。于是，被吸引到磁场区域的低温液体就会不断地取代高温液体，从而致使磁流 体只在； f j j a 磁场和热场的作用下流动起来，并不断地将热量从加热端传向冷却端实现 能量的自主传输。 2 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 冷却 图1 1 磁流体自动冷却回路系统 除此之外磁流体还被应用在磁流体热引擎、磁流体热疗技术、扬声器的散热效应、 温度传感器、热管、太阳能系纠1 2 1 等。可以预料，由于磁流体兼具磁性和流体的性质 1 1 1 , 在热科学领域具有广泛的应用前景，特别是在一些特殊传热场合( 如航空、航天、 化工、电子、生物工程、医学、环境保护等领域) 有着非常重要的应用价值。 且前磁流体的发展主要有两个方向嘲：一是磁流体的基础研究，磁流体各种现象 与性能的微观机理；二是磁流体的应用研究，主要有研磨、润滑、密封、热传导、振 动、控制、医疗、传感器、印刷、光学仪器等。我国在磁流体技术领域中虽然已经取 得了一定的进展，但是，与某些发达国家相比较还有差距。无论在理论方面还是实际 应用方面，都有许多不成熟的地方等待人们进行系统、深入地研究。相信在不久的将 来，稳定性更好、性能更高的实用化磁流体将不断出现，并将在更多领域发挥重要的 作用 1 3 - 1 9 1 。 1 2 温度敏感型磁流体自动冷却回路的国内外研究现状 温度敏感型磁流体自动冷却回路是磁流体在热科学领域的应用之一。由于其不需 要外加泵，只在外加磁场和温度场的作用下就可以推动磁流体循环往复运动，从而实 现能量的自主传输，而如果用来推动机械，还可以实现能量转换将热能转变为机械能 等，因此对温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性进行理论分析和实验研究、揭 示磁流体流动传热特性与控制方法的物理机制等，具有重要的学术意义和广泛的工程 应用前景。 早在1 9 6 4 年，r o s e n s w e i g 等人就提出了磁致热能量转化原理，继而又提出了磁 流体能量直接转化系统的设想，并将铁磁流体看作不可压缩的宏观连续介质，分析了 存在磁场梯度和温度梯度时的传热过程和流动过程，阐释了热能与流体流动功之间的 转换 2 0 l 。1 9 6 7 年r o s e n s w e i g 又提出了磁致热能量转化原理【2 ”。美国芝加哥的r a n j a n 3 硕士论文温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 g a n g u l y ，s w a r n e n d us e n ，i s h w a rk p u r l 等模拟了在外加磁场影响下管道中磁流体 流动的两相强迫对流传热1 2 2 。9 8 年，日本的h y a m a g u c h i ，i k o b o r i 和n k o b a y a s h i 等建立了装有温度敏感型磁流体的管道模型，定性地分析了装置垂直放置时外加磁场 对其中的磁流体流动状态的影响1 2 3 甜 9 9 年，日本富山大学的k s h i m a d a 和 s k a m i y a m a 等人瞄1 用h s m a c 法计算出磁流体流动过程中其温度、压力、速度等随时 间的变化，并通过实验阐明了外加磁场对管道水平放置时系统的能量转化效率和热流 体力学特性的影响。目前对磁流体能量转化系统的多数研究，都是通过磁流体在各种 不同类型管道中的流动情况来阐明外加磁场对系统流动特性的影响闭。t f u j i t a 等 人用温度敏感型磁流体对热对流管道进行的基本研究证实，在热源附近的垂直管道上 施加磁场时，受到控制的自然对流使磁流体流动，并且其传递的热能显著增加。推动 磁流体流动的磁力远大于磁流体的浮升力，因此，在外加磁场作用下，用温度敏感型 磁流体很容易控制自然对流，增强流动速度。2 0 0 4 年l o n n i e j l o v e ，j o h nf j a n s e n ， t i me m c k n i g h t ，y u lr o h 和t o m yj p h e l p s 等人，把装有磁流体的直径2 m 、长 4 0 i m 的玻璃圆管放在温度场和均匀磁场中，磁流体随着加热温度升高，受到的磁场 吸引力逐渐减小，磁流体中就会产生压力梯度，温度低的磁流体就会推动温度高的磁 流体流动。他们还结合磁致热的原理推导出热学、磁学和流体动力学相关的基本方程， 并通过一系列实验验证了有限元模型计算结果，理论模拟和实验结果吻合得很好 脚郊l 。日本的h m a t s u k i ，k m u r a k a m i 和k y a m a s a w a 等人设计了采用居里温度为4 4 3 k 的l l n - - z n 铁氧体粒子的温度敏感型磁流体作为流动介质的自动冷却回路系统，系统 是由电磁铁、热源、冷却装置和装满温度敏感型磁流体的管子组成。热源长度为 1 0 9 5 m m ，放在磁场强度梯度为负的磁场区域里，冷却装置长度为1 5 0 m m ，管径为7 m 。 由于回路中存在温差，因此磁流体的磁化强度也存在差别，温度低处，磁流体的磁化 强度大，受到的磁场驱动力也较大，磁场区域内磁性粒子受力不平衡，因此不需要任 何外加能量驱动，磁流体也可以在磁力的推动下而流动，从而实现能量的直接转化或 传递。通过分析还得出了系统的冷却特性、压力水头、冷却能力等性能，其冷却特性 依靠磁流体的热特性和磁特性，冷却能力的最大值由所加的磁场强度决定，而冷却装 置的运转则是通过热源的热力强度自动控制的。该系统不需要外加泵，仅依靠热能与 机械能之闻的转化来推动其循环运转，可以用来消除机械余热等 2 9 3 0 1 。另外如果将系 统中增加一传动装置，由于磁流体的流动推动传动装置旋转，即可将施加在磁流体上 的热能转换为机械能，完成能量的直接转化，这就是磁流体热引擎。 对温度敏感型磁流体自动冷却回路的研究和开发，在热科学领域具有非常重要的 应用前景但是，目前国际上关于温度敏感型磁流体能量自主传递特性与控制方法的 研究还比较少，还有许多关键科学问题亟待研究。 4 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 1 3 论文提出 开展温度敏感型磁流体自动冷却回路流动传热特性及控制方法的理论和实验研 究，在热科学领域具有非常重要的应用前景。但是，目前国际上关于温度敏感型磁流 体能量自主传递特性与控制方法的研究还不够深入。还有许多关键科学问题需要进一 步的研究，例如： l 、外加磁场强度、磁场梯度以及磁场性质( 如恒定磁场、强度梯度变化等) 对 自动冷却回路流动传热性能的影响： 2 、加热冷却功率的选取以及加热的相对位置等对回路系统传热性能的影响； 3 、上述因素与磁流体性质之间的本构关系以及系统结构的优化等对回路系统传 热性能的影响等。 因此，通过理论和实验分析温度敏感型磁流体自动冷却回路的流动传热特性是非 常有必要的。可以通过改变磁场强度、磁场梯度、磁场性质( 如恒定磁场、强度梯度 变化等) 以及加热冷却功率、加热相对位置等参数分析不同工况条件对自动冷却回路 的流动传热性能的影响，进一步揭示温度敏感型磁流体自动冷却回路能量自主传递的 特性及其控制方法的物理机制等。 本文是在流体动力学、传热学和电磁学的一些重要理论以及磁流体宏观模型研究 的基础上进行数值分析和实验研究的。理论方面，通过建立流动与传热模型，计算并 分析温度敏感型磁流体能量自主传递的特性，揭示其控制方法的物理机制。实验分析 方面，分析有无外加磁场、加热功率不同、加热相对位置不同等因素对自动冷却回路 中磁流体的流动与能量传递性能的影响。 论文解决的主要问题及技术措施： 1 、建立温度敏感型磁流体在自动冷却回路中的流动与能量传输的数学模型； 2 、计算分析不同性质的磁场( 如恒定磁场、梯度场或永磁体产生的磁场等) 作 用下回路系统的流动传热性能。讨论磁场强度大小、磁场梯度大小、方向等 对回路系统的流动传热性能的影响； 3 、计算分析不同的加热功率、冷却温度以及加热相对位置等对回路系统的能量 传输特性、磁流体的流动特性等性能的影响，进一步得出温度敏感型磁流体 流动与能量自主传递的规律及控制方法； 4 、计算分析不同体积浓度的磁流体在自动冷却回路中的流动传热情况、温度分 布等： 5 、搭建温度敏感型磁流体自动冷却回路性能分析实验系统，并通过一系列实验 测试研究自动冷却回路中的温度敏感型磁流体在有无外加磁场时的流动传 热情况j 分析加热功率、加热相对位置不同等对其流动与传热特性的影响。 5 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 2 磁流体的基本理论 2 1 基本特性 磁流体是一种稳定的胶体溶液，即使在重力、离心力、磁力作用下也不会分离， 它具有固体磁性材料的磁性，又具有液体的流动性等性质，已经成为一种新型功能复 合材料在磁性方面具有超顺磁性，磁化过程服从朗之万函数，还具有粘度随外加磁 场的变化而改变的粘度特性、流变性、声学、光学及其它特殊的性能在热力学方面， 磁流体具有复杂的温度与磁化相互影响的磁热特性以及高效导热强化传热等作用 p z 3 4 。因此，磁流体在传热等领域的应用与理论研究越来越t ,1 0 业内人士的重视与关 注，其应用于热力学方面的特性主要有嗍： l 、超顺磁性：磁流体中，超细的磁性粒子呈单畴状态，在每个粒子内部，磁化 矢量因自发磁化而沿同一方向取向。粒子和粒子之间，由于表面涂有界面活性剂不会 互相凝聚在一起。但各粒子磁化强度的取向是混乱的，通常称这种超细微粒所具有的 磁性为超顺磁性。在磁场作用下，表现为磁流体的磁化强度随外加磁场的增加而增加， 直至饱和。而外磁场去除后，磁性微粒立即退磁，几乎没有磁滞现象。磁场对磁流体 的作用力表现为体积力。 2 、粘度特性：在无外加磁场作用时，磁流体具有牛顿流体的特性。由于磁性粒 子的存在，磁流体的粘度比其载液的粘度要大得多。当载液一定时，磁流体的粘度随 磁场的增大而增大。另外，磁流体的粘度还受到温度的影响，当温度升高时，磁流体 的粘度会减小 3 、蒸发特性：通常用蒸发率或饱和蒸气压来表示磁流体的蒸发速度。压强一定 时，温度高，则蒸发量大；相同温度时，饱和蒸气压高的磁流体蒸发量大。 4 、温度特性：磁流体的饱和磁化强度随温度的升高而减小，至居里点时，磁性 完全消失。温度下降后，磁性可重新恢复 5 、磁热效应：当磁场强度改变时，磁流体的温度也改变。即当磁流体进入较高 磁场强度区域时，磁流体被加热；当离开磁场区域时，磁流体被冷却。磁场强度的升 高可加热磁流体邮7 】。 6 、热磁对流：将磁流体置于温度场和磁场下，由于温差的存在，磁流体的磁化 强度存在差别，因而受力不平衡温度低处，磁流体的磁化强度大，受磁场的作用力 也较大。因此磁流体在磁场作用力和流体的浮升力的共同作用下而流动。热磁对流比 自然对流作用要大得多。 由于磁流体兼具磁性和流体的性质，在热科学领域具有广泛的应用前景，特别在 一些特殊传热场合( 如航空、航天、化工、电子、生物工程、医学、环境保护等领域) 有着非常重要的应用价值。 6 项士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 2 2 居里温度 居里温度是指铁磁物质的铁磁性消失，开始转为顺磁性的温度点 1 1 l 。铁磁物质被 磁化后具有很强的磁性，但这种磁性是与温度有关的，随着温度的升高，分子热运动 的加剧会影响磁矩的有序排列，但在未达到定温度时，热运动不足以破坏磁矩基本 的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有磁性，只是平均磁 矩随着温度升高而减小而当与r ( 毛即玻尔兹曼常数，r 是绝对温度) 里正比的 热运动足以破坏磁矩的整齐排列时，磁矩被瓦解，平均磁矩降为零，此时铁磁物质的 磁性消失而转变为顺磁物质，相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率。居 里温度就是对应于这一磁性转变时的温度，此时磁性物质的磁矩随温度变化的最剧 烈，其磁化强度会迅速减小，从而产生很大的驱动力。因此对于温度敏感型磁流体自 动冷却回路来说，居里温度较低的磁流体的对系统的循环运转和能量的自主传输具有 重要的意义 在自动冷却回路工作过程中所使用的磁流体，其居里温度应当尽可能低，磁化强 度随温度变化应越剧烈。但是，实际上在磁流体制造中广为采用的磁体( 如铁或磁铁 矿等) ，其居里温度较高i l l l ，比磁流体的载液还高不少，因此多数载液在磁流体的温 度对磁化强度的减小还没有起到显著作用之前就已经开始沸腾了。这不利于自动冷却 回路的循环工作由于不同铁磁体的居里温度可在很宽的范围变化( 如f e c o 的居里 温度为9 7 0 ，而c d m 的仅有3 0 ) ，因此原则上讲，可以制备出居里温度接近室 温的磁流体 i u 。目前正在开发低居里温度的磁流体，使其尽量接近甚至低于载液的沸 点。 2 3 磁化特性 2 3 1 磁介质及其磁化 使物质具有磁性的物理过程叫做磁化，而一切能够磁化的物质叫做磁介质。在研 究物质的磁化现象时，就把所研究的物质叫做磁介质通过早期的观察研究，人们认 识到物体的磁化源于物体中有磁矩。 根据安培分子环流假说，已磁化物质的磁性来源于物质内部有规则排列的分子环 流，分子环流可看作分子的固有磁矩，若磁介质中的分子( 原子) 磁矩作某种程度的 有序排列，则磁介质将呈现宏观磁矩，这就是磁化【1 1 l 。为了描述磁介质的磁化状态( 磁 化的方向和磁化的程度) ，就引入磁化强度矢量的概念磁化强度是指材料内部单位 体积的磁矩矢量和，国际标准单位是安培米( a m ) 。用鬲表示体积元a v 内所有 分子磁矩的矢量和，用砺表示磁化强度矢量，则有 一y m 膨2 管 ( 2 3 1 ) 7 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 在磁化状态下，由于分子电流的有序排列，磁介质中将出现宏观电流，称为磁化 电流。当磁介质因磁化而产生磁化电流后，此电流亦产生磁效应，将作为二次场源在 空间产生与磁化电流相伴存的磁场。故空间( 磁介质内部和外部) 任一点的总磁感应 强度否等于传导电流( 即导体中的电流) 在该点产生的磁感应强度鬲与磁化电流在 同一点产生的附加磁感应强度否的矢量和【3 3 】，即 占= b o + 口 ( 2 3 2 ) 由此可见，磁介质的全部作用就在于提供磁化电流作为附加场源，在磁介质存在时产 生的总磁场，除了传导电流产生的磁场岛万外还有磁化电流的贡献风砺，因此， b = 胁+ 风肘= 风1 日+ m l( 2 3 3 ) 上式表明，磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强了磁场。应该注意，砺只分 布在磁介质内，而占则不仅分布在磁介质中，也分布在磁介质外。 2 3 2 磁流体的磁化特性 磁性材料内部具有磁畴，所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区 域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不 同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体 一般总是具有很多磁畴，由于磁畴的磁矩方向各不相同，结果互相抵消，矢量和为零， 整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料，也就是说磁性材料在正常情况 下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。当磁流 体中磁性粒子的尺寸小于某l i 盎界值时，粒子就是单畴结构。大部分磁体的临界尺寸值 为1 0 m 的量级，因此，磁流体中的所有粒子都可认为是单畴结构，且不管某些粒子 磁化强度的铁磁性质。作为无相互作用粒子的总体，必然是作为顺磁性那样磁化的。 图2 , 3 1 磁流体中磁性粒子示意图删 在没有外磁场的情况下，每个磁畴虽已饱和磁化，但因各个磁畴的磁化方向不同， 所以磁流体对外不显示宏观磁性，即磁流体的磁化强度为零。当施加外磁场时，在外 磁场的作用下，磁性粒子的磁矩将发生向外加磁场方向的转动，导致这些磁矩不再能 相互抵消，也就是说所有磁矩的矢量和不等于零，使得磁流体表现出顺磁性物质的特 性。 对于超顺磁性粒子，其磁化过程与顺磁性的磁化过程基本相似，磁化规律满足朗 8 颈士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 之万函数工( f ) ，根据朗之万顺磁性理论叫，可以描述为： 肘= n r a , ( c o t h 彳一) = m 三( f ) ，砺= m h i h 热f = m ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 式中，行为单位体积内的粒子数； 肼。为粒子磁矩； 是真空磁导率； 日是磁场强度； 是玻尔兹曼常数； r 是绝对温度。 但是超顺磁性与顺磁性物质的磁化机制是存在显著差异的，这主要表现在超顺磁 性所研究的最小磁性单元是磁性粒子，顺磁性所研究的最小磁性单元则是单个原子 在顺磁体中，所有原子的磁矩都是杂乱无章的，而对于超顺磁性的磁流体而言，虽然 所有磁性粒子磁化矢量的空间取向是杂乱无章的，但是，单个粒子内部所有原子磁矩 的取向则是相同的，因此，磁流体的饱和磁化强度要比般的顺磁体要大得多【删。例 如对于铁磁性纳米微粒来说，磁矩所。值在1 0 - 挣j ，r 左右，而一般分子磁矩在1 0 彩j 厂r 左 右，显然磁流体将比一般顺磁性物质具有更高的磁化强度，因此磁流体系统呈现“超 顺磁性”，也就是说，它们具有高的饱和磁化强度，没有剩磁，没有矫顽力p 9 】 随着外磁场的增大，磁性粒子的磁矩向外磁场方向转动的数量和程度就越多。当 外磁场足够大时( f 0 0 ) ，系统的磁化强度达到其最大值，即饱和磁化强度值为 t = m l l 。这时所有粒子的磁矩都会沿着外磁场方向整齐排列： m = m l1 - k o r ( m m t ) l ( 2 3 6 ) 由上式可知，当善1 0 时m * m 。，这就相当于h 2 1 0 5 a m 。当磁性粒子达到饱和后， 无论怎样增大外磁场，磁化强度值也不再增大。 在弱场，即f 将整个回路水平放置，忽略重力影响。 l a - 图3 3 1 自动冷却回路结构示意图 温度敏感型磁流体磁化强度的变化会在流体中产生压力梯度，根据在l o n n i ej l o v e * ，j o h nf j a n s e n 等人综合热力学、磁学和流体动力学的基本关系式，对磁流 体流动特性的分析、推导 2 7 2 s ，可以得出外加磁场强度h 、磁场梯度v h 与磁流体流 速“等之间的关系。 假设磁流体流动是不可压缩的，由于流动对称，采用柱坐标系，规定圆管轴向为 z 方向，且沿着d a a b b c c d d a 顺时针方向为z 的正方向，如图3 1 1 所示。用 n a v i e r - - s t o k e s 方程来表示作用在磁流体上的外力的轴向分力与液体流动的关系： 户等= e 一等+ 2 砧 。 ( 3 3 1 ) 1 5 硅妨区艟 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 式中h 表示磁流体沿z 方向的平均速度； e 即表示重力，忽略不计； 竽表示：方向的总压力梯度； 胛2 h 即表示黏性力。 假设稳定状态下在口和，方向上没有速度【1 1 1 ，e p u e = 虬= o 。且由于是均匀流动，“与 坐标二无关，流动对称，故“不随e 而变， 流动恒定，所以鲁= o 又由于 昙：旦+ 珥旦+ u o _ _ o - - _ l u + 甜昙 瓦2 磊+ 蚱石十，a 口伸云 且v 2 = 嘉+ 吾昙+ 7 1 万8 嘻 所以n - - s 方程可以简化为 警= p 三r 昙( ，鲁) 一2 一一i ，一l 防、化， 于是有砧= ( ，只z ) = 甜( ，) 不考虑重力， ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 又由予在圆管中心磁流体的速度为有限值( r = o ) ，在边界无滑移( ，= r ) ，所以积 分可得半径为r 的圆管中层流流动的速度分布一1 】 心，= 一篆兰( t b ) 2 式中r 指圆管的半径 ( 3 3 5 ) 而磁流体的断面平均流速就可以表示为断面体积流量q 与横断面面积彳之比【4 1 】： 。：垒：脞。f u ( r ) 2 = r d r a彳a 所以一嚣篆 ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) 由于磁流体既具有液体的流动性，还有磁体的磁性。外加磁场对它的流动影响很 大，如果没有外磁场，则磁流体的运动问题与普通的液固两相流没有任何区别。根据 w o o d s o n 和m e l c h e r 的能量守恒方法 4 2 l ，分析某一固定微元体的能量贮存，可以推出 1 6 硬士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 呢= 啦脚书f ) d v 式中b 、日和f 分别代表磁感应强度，外磁场强度和流体压力 皇于磁介质中磁感应强度与外加磁场强度的关系是：b = z o ( m + h ) 所以 艿= 舻，8 h + 扣限) d v 二( 胁日艿日+ 三硒日蹦+ , u o m 8 h f 管) d 矿 根据定义，能量变量为零，因此积分号内部的项也为零。所以可得 f 嚣= h 8 h + 寺, u o h 8 m + 寺k t o m 6 h 11 ( 3 3 8 ) ( 3 3 9 ) ( 3 3 1 0 ) 由于材料的磁化强度m 是温度r 、磁场强度h 以及密度p 的函数，对于不可压缩的 磁流体，磁流体随密度变化的磁致伸缩效应可以密度对磁化强度的影响可以忽略。同 时磁化强度又可以表示为材料的磁化率z ：石o m 与磁场强度的乘积：肘：z 日 所以 f 鹋= 蚶8 h + 己1 峭8 8 m h s h + 1 r 。h o t m 8 t + i i 喇硼 = 硒日- 8 h + 鳓m 8 h + j i 风日兰o 堕t 生砑 ( 3 3 1 1 ) 又因为 h 艿日= 去v ( 日日) 够 2 日v h + h x ( v 日) g ( 3 3 1 2 ) 而在磁流体中没有传导电流，所p a v x h = 0 ，结果就得出； h 6 h = h 可h 髭 同理，根据磁化强度与磁场强度之间的标量关系膨。z 日，也可以推导出 m 艿日2 2 i i v h 劈= m v h 。苗 ( 3 3 1 3 ) 如前所述，由居里一外斯定名亩知：磁化强度随温度变化。k 是材料的特性，是个标量。材料的磁化率z 也可以看作温度的函数，常随温度的升高 而减小因此可得： h o 卯m d r = ( 何日) 亟o t v r 劈卯 、7 7 ( 3 3 1 4 ) 1 7 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 所以f ，苗= 鳓日8 h + 硒m 阳+ j 1 。h 万8 m 砑 = b 跗g + 三岛( 日日) 等v r 苗 这样就可以定义出磁流体单位体积所受到的力为： ，= 删弓硒( 日期v r ( 3 3 1 5 ) ( 3 3 1 6 ) 公式中等号右边第一项表示由外加梯度磁场所产生的磁性力，它是个体积力；第二项 表示磁致热力，可以明显地看出，随着温度的变化，磁流体受到的力也相应发生变化。 由上可知，对于体积为d 矿的磁流体微元体，受力为 榉一 删+ 三硒( 日箬) v r 卜 c s s m ， 将整个回路中所有的磁流体看成是n 个体积为d v 的微元体，则系统受到的总的压力 为： 砖= 只d g ( 3 3 1 8 ) 。 忙 融一等。半：警 ( 3 3 1 9 ) 式中，a 为圆管横断面面积；r 为圆管的半径；，为圆管总长。 所以，回路中磁流体的平均流速为： 壁娑：娑= 。) 8 a a z8 “露l 一 1。 3 4 数值模拟 温度敏感型磁流体自动冷却回路的结构示意图如图3 3 1 所示，其长为l o o m ， 宽8 0 m ，直径为4 m ，网格划分为1 8 4 xi ，每个网格长2 m ，将控制方程中的各阶导 数用相应的差分表达式来代替离散成有限差分方程，如式3 4 i 。采用非稳态扩散方 程的隐式格式，用c 语言编程实现数值仿真。 弓= a 半- p c p u哨写券“警+ t 给加热端加以恒定热流密度，保持加热功率为q ，冷却端为等温边界，温度为t w ， 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 其它壁面均设为绝热边界。设初始时刻磁流体的温度为t r = 2 9 0 k ，磁流体平均流速为 u = 0 。对于回路区域内的磁场分布，则分为如下几种情况分别模拟( 不同性质的磁场 控制方程计算详见第4 章) ： 1 外加磁场强度不变的均匀磁场； 2 外加磁场梯度不变的均匀梯度场； 3 外加由永磁体产生的非均匀磁场： 4 无外加磁场。 在迭代计算过程中，各节点温度的迭代条件满足4 t 1 0 4 ，回路平均流速的迭代条件 为a u 1 0 - 6 。当该，状态待续3 0 分钟耐可以认为流速不再变化、回路己达到稳定，迭 代结束。 本文首先模拟了某一种磁流体在1 、2 两种理想磁场分布作用下的流动传热情况， 假设磁流体的居里温度为3 5 0 k ，饱和磁化强度为1 0 0 0 0 0 a m ，运动粘度为4 xl 矿矿s ， 热磁系数为l oa 战，导热系数为0 3w 战。其次模拟了煤油基的锰锌铁氧体磁流体 在圆筒、圆柱型永磁体作用下的流动与传热情况，磁流体的物性参数参考南京理工大 学8 0 8 教研室制得的磁流体，见表3 5 1 。最后模拟了上述磁流体的不同体积浓度对 回路性能的影响。 3 5 磁流体物性参数的理论计算 论文中用于数值模拟的磁流体，其一系列物理属性参数的计算方法如下。其中磁 性粒子的物性参数是参照锰0 8 、锌0 2 的锰锌铁氧体磁性粒子( 由南京理工大学8 0 8 教研室制得) ，载液假设是煤油。 l 、密度： 磁流体看成是不可压缩的流体，其密度恒定。可以用固体相和载液的密度表示为： 尸= 岛以+ 岛( 1 一以) ( 3 5 1 ) 式中为粒子的体积浓度，下标占表示粒子，c 表示载液。 2 、比热：c = c i 虬+ 印。 ( 3 5 2 ) 式中为粒子的质量浓度。 s 粹加九卜杀 s 4 、粘度( 指动力粘度) ： 表示磁流体的流动性能，是流体力学和流变学的重要参数，会对磁流体的应用技 术产生一定的影响【4 3 1 没有外加磁场时，磁流体的粘度与浓度的关系是： 硕士论文 温度敏感型磁流体自动冷却回路的传热特性研究 低浓度 高浓度 ( 3 。5 。4 ) 式中，载液粘度仇= a t ”( 口和行可以由两种已知温度下的粘度求得) ； 有外加磁场时，其粘度，7 2 仉+ l 5 噍，7 。i ( 孑m 瓦o ( 3 5 5 ) 式中心为磁流体平衡态磁化强度，中间变量f 2 面。o 瓦t b h ，磁化强度b r o 帅驰豫时间 取l 旷秒； 另外，对于适中浓度的磁流体( 0 0 3 杰 ，时： ( 4 3 1 7 ) ! ! 主! 鎏 垫鏖墼壁垒壁鎏竺皂垫登垫旦些竺生垫堑丝! 塞 2 去e 舒出+ 去e 尚斑 他。 = 警 舸一而一厢+ 嗣 所以该点p 的磁场强度为： 万= 坷 = 警岛+ 寿+ 两( r - 而i ) 一砖斋 3 1 9 ) 类似也可以求出当r o 和o ，s ，时z 轴上任一点p 的磁场强度万。 综上可知轴向磁化的圆筒型永磁体：轴上任意一点p 的磁场强度耳为 耳= 坷 = 警岛+ 赤+ 万( r - 而1 ) 一万( r - 而1 ) “3 2 0 ) 其沿z 轴的磁场分布如图4 3 3 所示【5 i 】。 b o凸i 、0 r z 图4 3 3 沿轴向磁化的圆筒型永磁体沿磁环中心线的磁场分布唧1 4 3 3 圆筒型永磁体磁场下的计算结果与讨论