磁场下磁性液体气泡/液滴的相界面现象

本项目基于采用磁性液体为工质的传热装置以及磁性流体潜在的医学工程应用，提炼出其中的基础科学问题，实验研究和理论分析磁场作用下磁性液体气泡/液滴运动的相界面特性，分析外加磁场对气泡上升速度、形状及液滴界面不稳定性等的影响，以揭示磁性液体中磁场与流场的耦合机制。本选题既有创新性和学术价值，也有工程应用价值。. 本项目采用实验研究与数值模拟相结合的研究方法，真实反映磁性液体中的多相流现象。采用Hele-Shaw单元对磁性液体气泡/液滴进行可视化研究，同时运用新的测量手段，包括超声波成像技术和X光拍照方法，观察气泡/液滴的界面特性。建模过程中考虑磁性液体微观结构对宏观性能的影响，引入磁各向异性参数修正平衡磁化理论导出的磁化方程。数值模拟采用VOF方法捕捉相界面，修正N-S方程，引入磁场项，求解Maxwell方程获得磁场分布，并将模拟结果与实验获得的数据进行对比，发展和建立新的理论。

本项目针对以磁性液体为工质的传热装置及磁性液体潜在的医学工程应用，提炼出其中的基础科学问题，实验研究和理论分析了磁场作用下磁性液体气泡/液滴运动的相界面特性，分析了外加磁场对气泡上升速度和液滴形状等的影响，以揭示磁性液体中磁场与流场的耦合机制。本选题既有创新性和学术价值，也有工程应用价值。.本项目采用试验研究与数值模拟相结合的研究方法，真实反映磁性液体中的多相流现象。采用Hele-Shaw单元对磁性液体气泡进行了可视化研究，观测了外加磁场对单个气泡及气泡串的作用，考察了磁场强度、流体物性等因素的影响，总结了磁场中磁性液体内气泡的运动规律，发现磁场会改变气泡的形状及上升速度，气泡会沿磁场方向被拉长，气泡在正梯度磁场区域做减速运动，在负梯度磁场区域做加速运动。完成了磁场作用下磁性液体液滴动力学行为的试验研究，观测了竖直和横向磁场对液滴变形和速度的作用，考察了磁场强度、流体粘度、液滴尺寸等因素的影响，分析给出了梯度磁场中液滴运动速度的理论公式，计算结果与实验数据吻合良好。完成了氮气-磁性液体两相流电磁感应现象的试验研究，获得了感应电压与流型的对应关系。完成了均匀磁场中磁性液体气泡/液滴的二维数值模拟，N-S方程中添加了磁场项的影响，界面追踪采用VOSET方法，表面张力采用CSF模型；另外推导了Maxwell方程的二维理论解，验证了本数值方法求解Maxwell方程的正确性。.本项目的研究成果为完善磁性液体两相流理论及数值模型提供了一定的参考和指导。