Влияние геометрии полюсного наконечника на срок службы стояночного магнитожидкостного уплотнения

Авторы

  • Софья Григорьевна Шарина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Михаил Самуилович Краков Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

диффузия, магнитофорез, магнитная жидкость, численные методы, компьютерное моделирование
Поддерживающие организации
Исследование выполнено в рамках научно-исследовательской работы «Динамика процессов тепло- и массопереноса в коллоидах магнитных наночастиц» (государственная программа научных исследований «Энергетические и ядерные процессы и технологии», подпрограмма «Энергетические процессы и технологии», задание 2.21 «Развитие теории массопереноса в коллоидах и суспензиях для определения режимов магнитореологической обработки, обеспечивающей повышение лучевой стойкости поверхностей элементов мощных лазерных систем»).

Аннотация

Представлены результаты численного моделирования задачи об изменении концентрации магнитных частиц во времени в магнитожидкостном уплотнении (МЖУ), работающем в стояночном режиме. Отмечено, что процесс переконцентрации определяется балансом магнитофореза и концентрационной диффузии. Расчеты проведены для двух наиболее распространенных геометрий полюсного наконечника – треугольной и прямоугольной. В вычислениях использованы коэффициент диффузии, зависящий от концентрации магнитных частиц, и модифицированное выражение для описания подвижности магнитных частиц. Выполнено сравнение влияния геометрий полюсного наконечника на срок службы МЖУ. Под действием высокоградиентного магнитного поля в МЖУ магнитные частицы стремятся в область большей напряженности магнитного поля. В результате этого в зазоре МЖУ концентрация магнитных частиц существенно возрастает, что влечет за собой увеличение вязкости магнитной жидкости. Чрезмерное увеличение вязкости магнитной жидкости может привести к невозможности вращения вала, т. е. выходу уплотнения из строя. Сроком службы МЖУ считается то время, за которое магнитная жидкость в зазоре МЖУ теряет текучесть. Определено, что срок службы МЖУ с треугольной геометрией полюсного наконечника превышает срок службы МЖУ с прямоугольной геометрией полюсного наконечника. При использовании вакуумного масла в качестве жидкости-основы время безотказной работы МЖУ в зависимости от его параметров может составлять от месяца до нескольких лет.

Биографии авторов

  • Софья Григорьевна Шарина, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    ассистент кафедры компьютерного моделирования физического факультета

  • Михаил Самуилович Краков, Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусь

    доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры компьютерного моделирования физического факультета БГУ, профессор кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» факультета технологий управления и гуманитаризации Белорусского национального технического университета

Библиографические ссылки

  1. Kole M, Khandekar S. Engineering applications of ferrofluids: a review. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;537:168222. DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168222.
  2. Bolotov A, Burdo G. Magnetic fluid method for sealing liquid media. In: Bieliatynskyi A, Guda AN, editors. Transport technologies in the 21st century (TT21C-2023). Actual problems of decarbonization of transport and power engineering: ways of their innovative solution. International scientific conference; 2023 April 5–7; Rostov-on-Don, Russia. [S. l.]: [s. n.]; 2023. Article No.: 04081 (E3S web of conferences; volume 383). DOI: 10.1051/e3sconf/202338304081.
  3. Rao Y, Yan X, Luo L, Hao F, Shen C, Lei C, et al. Magnetic fluid seal for switchgear. In: CIRED. 25th International conference on electricity distribution; 2019 June 3–6; Madrid, Spain. Liège: AIM; 2019. Paper No.: 1035.
  4. Liu S, Li D, He X, Zhang Z. Structure design study of vacuum magnetic fluid seal. Frontiers in Materials. 2022;9:932697. DOI: 10.3389/fmats.2022.932697.
  5. Berkovsky BM, Medvedev VF, Krakov MS. Magnetic fluids: engineering applications. Oxford: Oxford University Press; 1993. XII, 243 p.
  6. Bashtovoi VG, Pogirnitskaya SG, Kuzhir R, Polunin VM, Ryapolov PA, Shabanova IA, et al. Influence of mass transfer processes on Couette flow of magnetic fluid. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2013;5(4):04011.
  7. Taketomi S. Motion of ferrite particles under a high gradient magnetic field in a magnetic fluid shaft seal. Japanese Journal of Applied Physics. 1980;19(10):1929–1936. DOI: 10.1143/JJAP.19.1929.
  8. Odenbach S. Forced diffusion in magnetic fluids under the influence of a strong magnetic field gradient. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. 1994;94:331–334. DOI: 10.1007/BF01320686.
  9. Krakov MS, Nikiforov IV. Regarding the influence of heating and the Soret effect on a magnetic fluid seal. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017;431:255–261. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.07.054.
  10. Sharyna SG, Krakov MS. Effect of a high-gradient magnetic field on particle concentration distribution in a magnetic fluid seal: rivalry of the diffusion and magnetophoresis. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2024;599:172095. DOI: 10.1016/j.jmmm.2024.172095.
  11. Pshenichnikov AF, Elfimova EA, Ivanov AO. Magnetophoresis, sedimentation, and diffusion of particles in concentrated magnetic fluids. The Journal of Chemical Physics. 2011;134(18):184508. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3586806.
  12. Sharyna S, Krakov M. Interplay between magnetophoresis and diffusion in magnetic fluid seals for vacuum devices and their lifespan. Vacuum. 2025;234:114122. DOI: 10.1016/j.vacuum.2025.114122.
  13. Chong JS, Christiansen EB, Baer AD. Rheology of concentrated suspensions. Journal of Applied Polymer Science. 1971;15(8):2007–2021. DOI: 10.1002/app.1971.070150818.
  14. Шарина СГ, Краков МС. Влияние формы полюсного наконечника на характеристики стояночного магнитожидкостного уплотнения. В: Диканский ЮИ, Ерин КВ, Закинян АР, Куникин СА, редакторы. Сборник научных трудов VIII Международной Ставропольской конференции по магнитным коллоидам (ISCMC2023); 10–14 сентября 2023 г.; Ставрополь, Россия. Ставрополь: Издательство Северо-Кавказского федерального университета; 2023. с. 152–156.
  15. Buyevich YuA, Ivanov AO. Kinetics of phase separation in colloids: I. Formation of initial aggregates. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 1993;192(3):375–390. DOI: 10.1016/0378-4371(93)90044-5.
  16. Russel WB. The dynamics of colloidal systems. Madison: University of Wisconsin Press; 1987. XIV, 119 p.
  17. Krakov MS. Control volume finite-element method for Navier – Stokes equations in vortex-streamfunction formulation. Numerical Heat Transfer. Part B, Fundamentals. 1992;21(2):125–145. DOI: 10.1080/10407799208944913.
  18. Patankar SV. Numerical heat transfer and fluid flow. [S. l.]: Hemisphere Publishing Corporation; 1980. XVI, 197 p. (Minkowycz WJ, Sparrow EM, editors. Series in computational and physical processes in mechanics and thermal sciences).
  19. Shepard D. A two-dimensional interpolation function for irregularly-spaced data. In: Blue RB, Rosenberg AM, editors. ACMʼ68. Proceedings of the 23rd ACM national conference; 1968 August 27–29; Las Vegas, USA. New York: Association for Computing Machinery; 1968. p. 517–524.

Загрузки

Опубликован

2025-11-03 — Обновлена 2025-11-03

Версии

Выпуск

№ 2 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Раздел

Приборы и методы исследований

Лицензия

Copyright (c) 2025 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

(1)
Шарина, С. Г.; Краков, М. С. Влияние геометрии полюсного наконечника на срок службы стояночного магнитожидкостного уплотнения. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2025, вып. 2, 19-30.