Исследование тепловых и гидродинамических эффектов в нанодисперсных магнитных жидкостях для разработки моделей и методик расчёта высокоскоростных и высокотемпературных герметизаторов

Одним из наиболее распространённых применений МЖ является магнитожидкостная герметизация вращающихся валов. Магнитожидкостные герметизаторы используются в аэрокосмической, военной, химической и биохимической промышленности, на взрыво- и пожароопасных производствах для герметизации вращающихся валов и вводов. Принцип действия магнитожидкостного герметизатора основан на свойстве магнитной жидкости удерживаться в зазоре между подвижным и неподвижным узлом с помощью магнитного поля. Образующаяся при этом магнитожидкостная пробка разделяет наружный и внутренние объёмы технологического оборудования. Преимуществами магнитожидкостного герметизатора перед другими типами уплотнений являются абсолютная герметичность в условиях перепада давления и температур, долговечность, малый момент трения, отсутствие износа, простота обслуживания. Основным фактором, сдерживающим применение магнитожидкостных герметизаторов на мощных машинах с вращающимися валами большого диаметра является рост линейной скорости движения поверхности вала и связанные с этим деструктивные эффекты, происходящие в слое МЖ под действием вязкостного разогрева. Ещё сильнее усугубляет ситуацию то, что в электрических машинах большой мощности возможен сильный разогрев ротора и подшипников, что приводит к высокой температуре выходного конца вала, превышение температуры которого над температурой окружающей среды может достигать более 90 °С. Такие температуры накладывают жёсткие ограничения на частоту вращения вала и состав используемых МЖ. Создание магнитожидкостных герметизаторов, сохраняющих гарантированную работоспособность в тяжёлых условиях невозможно без экспериментально верифицированных моделей и методик расчёта, учитывающих современные представления о процессах внутри МЖ и уровень развития химической промышленности, позволяющей синтезировать нанодисперсные магнитные жидкости с заданными свойствами. Такие модели и методики к настоящему моменту отсутствуют, что делает работу по теме проекта актуальной. Наличие в стенах Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ) Проблемной научноисследовательской лаборатории прикладной феррогидродинамики (ПНИЛ ПФГД), основного производителя МЖ в России, позволит синтезировать широкий спектр типов магнитных жидкостей со значительно отличающимися физикохимическими свойствами, экспериментальное и математическое исследование тепловых и гидродинамических процессов в которых, при работе в составе магнитожидкостных герметизаторов, позволит расширить границы научного знания и создавать точные модели и методики расчёта. В данном проекте ожидается получение следующих результатов: Впервые будет проведено экспериментальное исследование широкого ряда образцов магнитной жидкости с разным содержанием дисперсной фазы на основе синтетических и минеральных углеводородных масел, кремнийорганических жидкостей при работе в составе магнитожидкостного герметизатора. По результатам исследования будут даны рекомендации о возможностях их практического применения, преимуществах и недостатках при работе в условиях высоких температур, скоростей сдвига и высокоградиентного магнитного поля. Разработанные и верифицированные математические модели и методики расчёта позволят создавать высокоскоростные и высокотемпературные магнитожидкостные герметизаторы с максимальным использованием свойств современных магнитных жидкостей для расширения их эксплуатационных характеристик. По результатам экспериментальных исследований тепловых и гидродинамических процессов в нанодисперсных магнитных жидкостях будут даны рекомендации по их синтезу с конкретными свойствами в зависимости от решаемых технических задач. Публикация результатов испытаний магнитных жидкостей в рецензируемых международных журналах позволит ознакомить мировую общественность с возможностями ПНИЛ ПФГД ИГЭУ для расширения международного сотрудничества. Экспериментальные работы будут базироваться на теории проведения многофакторного эксперимента. Полученные данные о поведении ряда образцов магнитных жидкостей с объёмным содержанием магнитной фазы и на основе разных жидкостей-носителей при работе в высокоскоростных и высокотемпературных магнитожидкостных герметизаторах будут обобщены и обработаны методами математической статистики. Математическое моделирование взаимосвязанных гидродинамических, тепловых и магнитных процессов будет проведено с использованием современного пакета численного моделирования COMSOL Multiphysics. Параметрические модели магнитожидкостного герметизатора будут разработаны в программной среде MATLAB Simulink на основе решения дифференциальных уравнений в частных производных и использованием теории подобия. Разработанные методики расчёта высокоскоростных и высокотемпературных магнитожидкостных герметизаторов будут реализованы в среде Excel. В первый год выполнения проекта планируется получение результатов по следующим видам работ: - разработать план и методику проведения эксперимента для комплексной оценки свойств и характеристик магнитных жидкостей при работе в высокоскоростных и высокотемпературных магнитожидкостных герметизаторах; - создать экспериментальный стенд для исследования работы нанодисперсной магнитной жидкости в составе магнитожидкостного герметизатора с возможностью в широком диапазоне (от 0 до 25 м/с) регулировать линейную скорость на поверхности вращающегося вала, в диапазоне от 20 до 130 градусов изменять температуру в области нахождения магнитной жидкости; - изготовить набор полюсных приставок для исследования влияния геометрии рабочего зазора и конфигурации магнитного поля в области течения магнитной жидкости на происходящие гидродинамические процессы; - автоматизировать испытания заведя информацию о давлении, скорости, температуре на ЭВМ для возможности проведения ресурсных испытаний и получения данных в режиме реального времени без участия оператора; - разработать технические требования к нанодисперсной магнитной жидкости и изготовить экспериментальные образцы на базе ПНИЛ ПФГД. Для исследований предполагается использовать магнитные жидкости с разным содержанием дисперсной фазы (от 5 до 20 объёмных процентов) на основе следующих жидкостей-носителей: синтетические и минеральные углеводородные масла, кремнийорганические жидкости; - провести экспериментальные исследования изготовленных образцов нанодисперсной магнитной жидкости при её работе в составе магнитожидкостного герметизатора. Во второй год выполнения проекта планируется: - статистически обработать и обобщить результаты проведённых экспериментов и на их основе разработать и опубликовать рекомендации по выбору и использованию магнитных жидкостей для герметизации вращающихся вводов в сложных условиях эксплуатации; - разработать численные конечно-элементные математические модели магнитожидкостных герметизаторов, учитывающих взаимное влияние магнитного, гидродинамического и температурного полей; - разработать параметрические модели магнитожидкостных герметизатором с учётом полученных реологических, температурных и магнитных характеристик нанодисперсных магнитных жидкостей; - на основе проведённых экспериментальных и математических исследований разработать методики проектирования высокоскоростных магнитожидкостных герметизаторов, работающих в условиях высоких температур и перепада давления.