Р. Розенцвейг - Феррогидродинамика, страница 2

д. Предисловие редактора перевода Перечень приложений магнитных жидкостей в технике и технологии огромен. Большинство из них, однако, находится в стадии лабораторных разработок. Безусловно, одним из самых замечательных приложений является применение магнитных жидкостей в медицине для направленного транспорта лекарств, приготовленных на их основе. Не следует забывать, что часто на практике используются и среды реологически более сложные.

Это могут быть магнитные гели, желе. Вязкость таких сред существенно зависит от величины и направления магнитного поля, а также от характера движения среды. При достаточно сильном магнитном поле такие среды могут приобретать свойства твердых тел. Предлагаемая книга Р. Розенцвейга является первой вышедшей за рубежом монографией по магнитным жидкостям, области науки, которую Р. Розенцвейг называет феррогидродинамикой. В книге довольно четко обрисован предмет феррогидродинамики.

Отмечается его отличие от электрогидродинамики и магнитной гидродинамики. Описаны способы получения магнитных жидкостей, обсуждаются их свойства, перечисляются некоторые их применения в технике. Приводятся основные сведения по электродинамике, теории магнетизма, гидродинамике и термодинамике. Особое внимание уделяется построению математических моделей, описывающих взаимодействие сплошных сред с электромагнитным полем. Проводится мысль о многообразии явлений, происходящих при взаимодействии магнитной жидкости с магнитным полем, так что для их описания необходимы модели различного уровня сложности, учитывающие специфичные для данного явления эффекты.

Автор останавливается подробно на изучении различного типа неустойчивостей магнитных жидкостей, движения магнитных жидкостей в электромагнитных полях. На многочисленных примерах иллюстрируется применение современных методов математики: аналитических методов, методов численного моделирования для решения таких задач. Есть в книге материалы по использованию методов феррогидродинамики для исследования процессов ожижения слоев магнитных частиц в магнитных полях. Эти частицы имеют размер 50 †!000 микрон, много больший размера коллоидных частиц магнитной жидкости.

В связи с этим возникает необходимость учета микроконвективного движения. Обсуждается, как использование магнитных частиц для образования ожиженных слоев в химических реакторах может улучшить технологические характеристики последних. И здесь приводятся примеры моделирования таких псевдоожиженных слоев. Предаеловае редактора перевода Учитывая учебный характер книги, мы сочли целесообразным дополнить основной список литературы некоторыми монографиями и научными статьями советских авторов последних лет.

Книга будет полезна для подготовки научных работников, инженеров и студентов различных специальностей (прикладной математики, механики, физики, химии) к исследованиям в области магнитных жидкостей. В заключение хотелось бы поблагодарить автора за исправления, любезно присланные им для русского издания.

В. В. Гогосов Моей жене Рут ва ее любовь, преданность и веселый характер ПРЕДИСЛОВИЕ Силы обыкновенного магнетизма, действующие на расстоянии, все еще являются чудом для всех. Удивление вызывают и картины текущей жидкости, наблюдаются ли они в океанском прибое или в чашке чая. Представьте себе тогда магнитные жидкости, в которых свойства магнетизма и текучести объединяются в одной среде.

Такие жидкости демонстрируют новые и полезные качества. Надеюсь, что хотя бы часть очарования такой жидкости передана в этой книге. Мои первоначальные исследования с сотрудниками возникли из некоторых технических замыслов и надежды, что добавление магнитного слагаемого, обусловленного взаимодействием среды с магнитным полем, в уравнение движения жидкости приведет к интересным и полезным следствиям.

Эта надежда быстро осуществилась в реализации, как теоретической, так и практической, ряда новых типов стационарных течений в добавление к известным в гидродинамике. Впоследствии обнаружились более тонкие проявления магнетиков в жидкостях в виде поразительных явлений неустойчивости; некоторые из них приводят к спонтанной организации жидкости и появлению ненаблюдавшихся ранее геометрических картин. Неожиданно оказалось, что магнитные поверхностные силы здесь играют ключевую роль. Другой большой класс явлений дают антисимметричные напряжения, возникающие из-за наличия в течениях жидкостей объемного магнитного момента сил наряду с объемной магнитной силой.

Наиболее интересное развитие общих идей связано с явлениями, возникающими при течениях намагничивающихся дисперсных сред. Феррогидродинамика — дисциплина на стыке наук, интересная с точки зрения физики и математики и имеющая приложения в трибологии, технике сепарации, разработке измерительных приборов, информационных дисплеях, печати, медицине и других областях. Так как специалисты из этих сфер деятельности имеют совершенно разную подготовку, то была сделана попытка написать достаточно самостоятельную книгу, чтобы она была доступной для инженеров, ученых и студентов многих направлений. Понятия теории магнетизма слабо затрагиваются в Предисловие современных учебных курсах, да н то чаще всего в качестве приложения к электростатике; силам поляризации уделяется еще меньшее внимание.

Поэтому начальные главы содержат основы теории магнетизма и вводный материал по гидродинамике. Это закладывает основу для строгого описания распределения напряжений в магнитных жидкостях и формулировки уравнения движения в гл. 4, а затем и вывода граничных условий на поверхностях. Далее, в гл. 5 н 6 рассматривается ряд установившихся течений с особым вниманием к применению обобщенного уравнения Бернулли в качестве универсального метода решения, простого, но мощного по достигаемым результатам.

В гл. 7 рассматриваются основные течения с неустойчивостью; это более трудная тема, но оправдывающая затраченные на нее усилия. В последних главах затрагиваются другие сложные вопросы о течениях, в которых существенны антисимметрнчные напряжения, а также о явлениях, возникающих прн течении намагничнвающихся дисперсных сред,— предмете все больших приложений в технологии переработки хнмнкалиев и ископаемого топлива.

В этих вопросах состояние теоретического знания не столь совершенно, и были приложены усилия, чтобы выделить те разделы предмета, которые стоят на твердой почве, из множества результатов, имеющих предположительный статус. На протяжении всей книги обсуждаются разные приложения феррогидродинамикн, большей частью в тех местах, где эта тема может послужить иллюстрацией теоретических идей и где существенны как магнитные„так и текучие свойства. Материал этой работы был изложен в курсе лекций„прочитанном в Университете шт. Миннесота в 1980 г., куда автор был приглашен в качестве профессора на факультет химического машиностроения н материаловедения.

О. Базаран записал лекция н помог составить связный текст, который послужил отправным пунктом для этой книги. Его усилия и вклад в работу очень ценны. Я особенно благодарен Л. Скривену за приглашение в университет, помощь в работе, а также за многие стимулирующие дискуссии и Х. Дэвису за поддержку и советы. Совместная работа с М. Цаном нз Массачусетского технологического института была полна энтузиазма и очень плодотворна; я благодарен ему за чтение и комментирование всей рукописи. Помощь в подготовке этой работы была оказана благодаря великодушию моего работодателя — фирмы Еххоп Со, и ее научно-исследовательской организации.

Поддержка Ф. Хоровитца была существенна. Я благодарен Каролин Дюпре за ее постоянную работу по перепечатке рукописи. Очень приятно было работать с сотрудниками издательства и Д. Транахом. !2 Предисловие Сотрудничество со многими другими коллегами в течение ряда лет было обогащающим и доставляло много удовольствия. Упоминания многих из них встретятся в книге в ссылках на их опубликованные исследования. Наконец, отметим, что каждые три года проводятся международные конференции исключительно по вопросам данного предмета. Первая конференция, лекции повышенного уровня и семинар, организованные Б. М. Берковским, состоялась в Международном центре исследований по механике (С!АМ) в г.

Удине, Италия. Вторая конференция состоялась в г. Орландо, шт. Флорида в !980 г., а последняя — в университетском колледже Северного Уэльса в г. Бангоре в !983 г. Ссылки на труды этих конференций можно найти в литературе, приведенной в конце книги. Четвертая конференция состоится в Японии в !986 г.'!. Рональд Розенцвейг н !'т' Международная конференция по магнитным жидкостям состоялась с 28 июля по ! августа !986 г.

в Японии в городах Токио и Синдагк Материалы конференции опубликованы в журнале Лоцгпа! о1 Маяпенмп апб Маяпепс Ма!еиа!а, !987, чо!. 66, № 2, 3. Очередная 7 Международная конференция будет проходить в СССР, в г. Риге в сентябре !989 г. — Прим. ред. 1. Введение До недавнего времени технические приложения гидродинамики ограничивались системами, в которых электрические и магнитные поля не играли роли. Однако взаимодействие электромагнитных полей с жидкостями и газами привлекает все большее внимание из-за многообещающих перспектив приложений в самых разных областях, таких, как управляемые термоядерные реакции, конструирование химических реакторов, медицина и высокоскоростная бесшумная печать.

Исследования разных типов взаимодействия поля и жидкости можно разделить на три основных направления: 1. Электрогидродинамика (ЭГД) — раздел гидродинамики, в котором изучается взаимодействие электрического поля сжидкостями и газами. 2. Магнитная гидродинамика (МГД) — изучение взаимодействия магнитных полей с жидкими и газообразными электро- проводными средами. 3. Феррогидродинамика (ФГД) — предмет этой книги, интерес к которому появился благодаря созданию в недавнее время магнитных жидкостей. 1.1.