Flow of magnetic fluids in capillaries and porous media under the action of a magnetic field
ECOULEMENT DES FLUIDES MAGNETIQUES DANS DES CAPILLAIRES ET MILIEUX POREUX SOUS L'EFFET D'UN CHAMP MAGNETIQUE
Résumé
The objective of the study is to establish the laws of the magnetic field effect on the flow of magnetic fluids in capillaries and capillary-porous media as well as to investigate mechanisms of the flow control. We study two types of magnetic fluids, namely ferrofluid and magnetorheological fluid.
The efficiency of the control of the magnetic fluid flows in capillaries and capillary-porous media by means of the magnetic field has been proofed and three mechanisms of such control have been considered, namely the magnetic field effect on a free surface, on the rheology of these fluids, and the effect of the magnetic force that attracts the fluid or its components to the domain of higher fields. The behavior of the uniform magnetic field effect on static and dynamic characteristics of a magnetic fluid free surface in a capillary have been established. A two times decrease in the pressure jump on the meniscus takes place in the magnetic field longitudinal relative to the capillary axis. A decrease in the pressure jump in the transverse magnetic field causes a deceleration of the magnetic fluid penetration into capillary. It points out a possibility of the fill-up time control within the range of 60%.
The theoretical model of the plane shear flow of a MR fluid with suspended chain-like structures has been generalized to the case of an uniform magnetic field making an arbitrary angle with the velocity gradient. The dynamic yield stress versus the magnetic field orientation dependencies have been obtained on the base of this model. These dependencies allowed us to calculate velocity profiles and discharge curves of the pressure driven flows of MR fluids in capillaries and capillary-porous media in the presence of uniform magnetic field of an arbitrary orientation. Experimental discharge curves have also been obtained; they confirmed the theoretical ones reasonably well and pointed out a possibility to control the pressure difference within the range of 1000 times.
We have applied the model of multiphase flows in order to simulate a blockage of MR fluid flow through a capillary under highly non-uniform magnetic field. We have found theoretically and experimentally that the pressure where the flow stops is near two times less than the pressure required to restart the flow.
Results of the study present a theoretical base for making new adaptive technical systems including active systems of vibroprotection.
The efficiency of the control of the magnetic fluid flows in capillaries and capillary-porous media by means of the magnetic field has been proofed and three mechanisms of such control have been considered, namely the magnetic field effect on a free surface, on the rheology of these fluids, and the effect of the magnetic force that attracts the fluid or its components to the domain of higher fields. The behavior of the uniform magnetic field effect on static and dynamic characteristics of a magnetic fluid free surface in a capillary have been established. A two times decrease in the pressure jump on the meniscus takes place in the magnetic field longitudinal relative to the capillary axis. A decrease in the pressure jump in the transverse magnetic field causes a deceleration of the magnetic fluid penetration into capillary. It points out a possibility of the fill-up time control within the range of 60%.
The theoretical model of the plane shear flow of a MR fluid with suspended chain-like structures has been generalized to the case of an uniform magnetic field making an arbitrary angle with the velocity gradient. The dynamic yield stress versus the magnetic field orientation dependencies have been obtained on the base of this model. These dependencies allowed us to calculate velocity profiles and discharge curves of the pressure driven flows of MR fluids in capillaries and capillary-porous media in the presence of uniform magnetic field of an arbitrary orientation. Experimental discharge curves have also been obtained; they confirmed the theoretical ones reasonably well and pointed out a possibility to control the pressure difference within the range of 1000 times.
We have applied the model of multiphase flows in order to simulate a blockage of MR fluid flow through a capillary under highly non-uniform magnetic field. We have found theoretically and experimentally that the pressure where the flow stops is near two times less than the pressure required to restart the flow.
Results of the study present a theoretical base for making new adaptive technical systems including active systems of vibroprotection.
Le but de ce travail est d'établir les lois de comportement régissant l'écoulement de fluides magnétiques dans des capillaires et des milieux poreux et d'étudier les mécanismes de contrôle de ces écoulements par l'application d'un champ magnétique. Deux types de fluides magnétiques sont utilisés à cet effet: les ferrofluides et les fluides magnétorhéologiques (MR).
Le contrôle de l'écoulement est réalisé par l'effet du champ sur la surface libre ou sur la rhéologie de ces fluides et également par l'intermédiaire des forces magnétiques qui attirent le fluide dans les régions où le champ est le plus fort. On a établi les lois de comportement statique et dynamique de la surface d'un ferrofluide dans un capillaire en présence d'un champ magnétique homogène. Une diminution par un facteur deux du saut de pression sur le ménisque a lieu dans un fort champ longitudinal appliqué suivant l'axe du capillaire. La diminution du saut de pression dans un champ transversal induit un ralentissement de la pénétration capillaire du ferrofluide, ce qui permet de contrôler le temps de remplissage dans une plage de 60%.
On a généralisé le modèle de cisaillement simple d'un fluide MR, avec des agrégats en forme de chaînes, au cas d'un champ magnétique d'orientation quelconque par rapport à l'écoulement. Sur la base de ce modèle on a obtenu la dépendance théorique de la contrainte seuil dynamique en fonction de l'orientation du champ. Cette dépendance est utilisée pour calculer les profils de vitesse et les caractéristiques débit-pression dans des écoulements de Poiseuille d'un fluide MR dans des capillaires et des milieux poreux en présence d'un champ homogène d'orientation quelconque. Les courbes expérimentales débit-pression confirment bien la théorie et indiquent une possibilité d'augmenter la pression de trois ordres de grandeur.
On a appliqué un modèle d' écoulement biphasique pour simuler un blocage de l'écoulement d'un fluide MR dans un capillaire en présence d'une forte inhomogénéité de champ magnétique. Expérimentalement et théoriquement on a montré que la pression de blocage est à peu près 2 fois moins grande que la pression nécessaire pour relancer un écoulement bloqué.
Les résultats de ce travail forment une base théorique pour le développement de systèmes hydrauliques adaptatifs, et plus particulièrement de systèmes de vibroprotection.
Le contrôle de l'écoulement est réalisé par l'effet du champ sur la surface libre ou sur la rhéologie de ces fluides et également par l'intermédiaire des forces magnétiques qui attirent le fluide dans les régions où le champ est le plus fort. On a établi les lois de comportement statique et dynamique de la surface d'un ferrofluide dans un capillaire en présence d'un champ magnétique homogène. Une diminution par un facteur deux du saut de pression sur le ménisque a lieu dans un fort champ longitudinal appliqué suivant l'axe du capillaire. La diminution du saut de pression dans un champ transversal induit un ralentissement de la pénétration capillaire du ferrofluide, ce qui permet de contrôler le temps de remplissage dans une plage de 60%.
On a généralisé le modèle de cisaillement simple d'un fluide MR, avec des agrégats en forme de chaînes, au cas d'un champ magnétique d'orientation quelconque par rapport à l'écoulement. Sur la base de ce modèle on a obtenu la dépendance théorique de la contrainte seuil dynamique en fonction de l'orientation du champ. Cette dépendance est utilisée pour calculer les profils de vitesse et les caractéristiques débit-pression dans des écoulements de Poiseuille d'un fluide MR dans des capillaires et des milieux poreux en présence d'un champ homogène d'orientation quelconque. Les courbes expérimentales débit-pression confirment bien la théorie et indiquent une possibilité d'augmenter la pression de trois ordres de grandeur.
On a appliqué un modèle d' écoulement biphasique pour simuler un blocage de l'écoulement d'un fluide MR dans un capillaire en présence d'une forte inhomogénéité de champ magnétique. Expérimentalement et théoriquement on a montré que la pression de blocage est à peu près 2 fois moins grande que la pression nécessaire pour relancer un écoulement bloqué.
Les résultats de ce travail forment une base théorique pour le développement de systèmes hydrauliques adaptatifs, et plus particulièrement de systèmes de vibroprotection.
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