Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1 Общие представления о магнитных суспензиях 11
1.2 Массоперенос в магнитной жидкости 16
1.3 Фазовое расслоение и агрегация частиц в магнитной жидкости . . 20
1.4 Спонтанное ориентационное упорядочение в жидких дипольных
системах 23
Глава 2. Математическая модель и методика расчётов 27
2.1 Уравнения ланжевеновской динамики для магнитных
наночастиц в вязкой жидкости 27
2.2 Численное решение уравнений движения 30
2.3 Аппроксимационная формула для потенциала твёрдых сфер ... 33
Глава 3. Седиментация частиц в горизонтальном слое магнитной жидкости 37
3.1 Постановка задачи и детали численного моделирования 38
3.2 Коэффициент градиентной броуновской диффузии магнитных
наночастиц 40
3.2.1 Связь концентрационного профиля с коэффициентом
диффузии 41
3.2.2 Приближение Карпахапа-Старлипга для коэффициента
диффузии твёрдых сфер 43
3.2.3 Основные приближения для коэффициента диффузии
твёрдых дипольных сфер 44
3.2.4 Сравнение известных приближений с результатами моделирования. Новая аппроксимационная формула для коэффициента диффузии твёрдых дипольных сфер .... 46
3.3 О возможности фазового расслоения в системе твёрдых
дипольных сфер 51
3.4 Образование плотной упаковки частиц вблизи дна
горизонтального слоя 58
3.5 Упорядочение магнитных моментов частиц 61
3.6 Заключение к главе 63
Глава 4. Магнитная структура микроскопических объёмов
концентрированной магнитной жидкости 65
4.1 Постановка задачи и детали численного моделирования 66
4.2 Магнитная жидкость в цилиндрическом контейнере 67
4.3 Квазиодпомерная система магнитных частиц 71
4.4 Магнитная жидкость в сферическом контейнере 75
4.4.1 Фазовая диаграмма 78
4.4.2 Начальная магнитная восприимчивость 81
4.5 Заключение к главе 84
Глава 5. Структура гибкой дипольной цепочки, взвешенной в
вязкой жидкости 85
5.1 Постановка задачи и детали численного моделирования 86
5.2 Магнитная структура цепочки 88
5.3 Пространственная структура цепочки 90
5.4 Влияние вспомогательных связей па организацию частиц 96
5.5 Заключение к главе 97
Заключение 100
Список литературы
Актуальность темы. Магнитная жидкость представляет собой высокодисперсную суспензию магнитных однодоменных частиц в немагнитной жидкости-носителе. Сочетание высокой магнитной восприимчивости со способностью
сохранять текучесть в широком диапазоне внешних воздействий обуславливают активное применение этой искусственно синтезируемой субстанции в различных отраслях промышленности и медицине. На основе магнитной жидкости создаются сепараторы для обогащения руд цветных металлов, герметизаторы вращающихся валов, демпферные устройства, разнообразные чувствительные датчики, мощные электродинамические громкоговорители с магнитожидкостным охлаждением и магнитные смазочные материалы. К перспективным
биомедицинским приложениям относятся направленная доставка лекарств, использование магнитной жидкости в качестве контрастного вещества для мангито-резонансной диагностики и терапия опухолевых заболеваний (магнитная
гипертермия).
Известно, что внешние силовые поля (гравитационное, центробежное или
неоднородное магнитное) вызывают дрейф магнитных коллоидных частиц в область с наименьшей потенциальной энергией. В отсутствие конвективных потоков единственным процессом, препятствующим дрейфу, является градиентная
броуновская диффузия. Конкуренция двух механизмов ведёт к установлению
в системе неоднородного концентрационного распределения частиц, что может
негативно отражаться на эксплуатационных характеристиках магнитожидкостных устройств. С другой стороны, перераспределение частиц при центрифугировании традиционно используется при синтезе магнитной жидкости для
очистки суспензии от нежелательных тяжелых примесей и изменения её дисперсионного состава. Таким образом, исследование массопереноса в магнитной
жидкости под действием внешних полей имеет большое прикладное значение.
Направленные потоки и установившееся пространственное распределение
частиц в жидкости во многом определяются межчастичными взаимодействиями – гидродинамическими, стерическими, ван-дер-ваальсовыми и магнитодипольными. Но как теоретическое, так и экспериментальное изучение роли
взаимодействий сопряжено с целым рядом методических трудностей. Особую5
сложность для исследователей представляют анизотропные и дальнодействующие магнитодипольные взаимодействия. В результате непосредственное влияние взаимодействий на процессы переноса в магнитной суспензии пока мало
освещено в отечественной и зарубежной литературе, а другие тесно связанные
проблемы, напротив, остаются предметом активных дискуссий на протяжении
уже нескольких десятилетий. К таким проблемам относится механизм фазового
расслоения магнитной жидкости с образованием в ней высококонцентрированных микрокапельных агрегатов, а также возможность спонтанного возникновения в суспензии крупномасштабной магнитной структуры и связанное с этим
изменение её макроскопических свойств. Перечисленные проблемы, которым и
посвящено диссертационное исследование, несомненно актуальны и представляют значительный интерес для развития физики и механики магнитных дисперсных систем.
Разработан программный комплекс для численного моделирования коллективной динамики взаимодействующих магнитных наночастиц, взвешенных
в вязкой жидкости. Созданное программное обеспечение может быть эффективно использовано на гибридных вычислительных системах на основе графических процессоров.
2. Решена задача о гравитационной седиментации магнитных частиц в
плоском горизонтальном слое магнитной суспензии. Показано, что интенсивные магнитодипольные взаимодействия ведут к существенному увеличению
коэффициента сегрегации частиц. Не получено подтверждений тому, что эти
взаимодействия способны вызвать фазовое расслоение жидкости в отсутствие
других механизмов межчастичного притяжения.
