納米磁性粒子動力學(xué)數(shù)值模擬與磁性液體密封研究.pdf

1、磁性液體材料是一種由納米磁性粒子通過表面活性劑分散于某種載液中而形成的性能穩(wěn)定的膠體功能材料，是目前少數(shù)幾種獲得應(yīng)用的納米材料之一。其最主要的應(yīng)用是在梯度磁場的約束下封堵密封間隙，即磁性液體密封。納米磁性粒子多體微結(jié)構(gòu)磁化動力學(xué)及其材料形態(tài)和磁場約束方法，是磁性液體及其各種高性能結(jié)構(gòu)器件研制的基礎(chǔ)。 本文首先對納米磁性液體材料的物理模型、微結(jié)構(gòu)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)概述，通過真空蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了納米磁性粒子的分子動力學(xué)特性分析與

2、驗(yàn)證：而后利用分子動力學(xué)、磁場有限元和邊界元等理論和方法，實(shí)現(xiàn)了納米磁性液體磁化狀態(tài)及多體動力學(xué)數(shù)值模擬：數(shù)值模型中考慮了納米磁性粒子的布朗熱運(yùn)動、磁性粒子包覆層厚度、以及磁性粒子材料磁化非線性等多種實(shí)際因素的影響，并以磁性液體密封為典型實(shí)例分析了間隙梯度磁場對磁性液體的磁化作用，對現(xiàn)有密封聚磁結(jié)構(gòu)磁場分布特性及所存在的問題進(jìn)行了分析、改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 真空條件下的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)表明，磁性液體材料以包覆了表面活性劑的納米磁性粒子為基本

3、粒子發(fā)生蒸發(fā)和氣化。與其它數(shù)值模擬方法相比較，邊界元方法是實(shí)現(xiàn)納米磁性液體多體磁化動力學(xué)最佳方法，可精確反應(yīng)動態(tài)響應(yīng)時(shí)間、磁化狀態(tài)、材料非線性、微結(jié)構(gòu)動態(tài)序化過程、磁相互作用等有用信息，特別是可用于實(shí)現(xiàn)梯度復(fù)雜磁場對磁性液體的磁化作用分析。所進(jìn)行的三粒子體系磁化狀態(tài)、磁相互作用及動態(tài)序化過程數(shù)值模擬結(jié)果分別與ANSYS有限元數(shù)值模擬結(jié)果及磁偶極子相互作用勢能理論預(yù)測結(jié)果一致：在微弱地磁場中，采用均值為0，均方差為2k<,B>Tζ/τ的正

4、態(tài)分布隨機(jī)作用力模擬納米磁性粒子的布朗運(yùn)動時(shí)，其位移的模擬結(jié)果與分形理論所構(gòu)造的正態(tài)分布位移函數(shù)完全相符。磁性液體的非線性飽和磁化曲線的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本吻合。 在平行磁場中，隨機(jī)分布的納米磁性粒子將會經(jīng)歷短鏈序化和長鏈序化兩個過程，短鏈序化時(shí)磁性液體磁化強(qiáng)度會有所下降，較長的磁性粒子鏈有優(yōu)先生長并同時(shí)抑制短鏈生長的趨勢．同一鏈上的磁性粒子之間以強(qiáng)磁場相鏈，并相互吸引，不同磁鏈之間以弱磁場相隔，并相互排斥，間距逐步增

5、大；納米磁性粒子的運(yùn)動經(jīng)歷不完全序化加速和完全序化后減速運(yùn)動的過程，粒子平均動能存在一個極大值；可根據(jù)磁性液體磁化強(qiáng)度及粒子的平均動能隨時(shí)間的變化曲線來確定磁性液體的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間。 磁性液體密封間隙磁場為復(fù)雜梯度磁場，間隙磁場的分布因聚磁結(jié)構(gòu)的不同而不同。有限元分析結(jié)果表明，傳統(tǒng)典型單側(cè)多極齒聚磁結(jié)構(gòu)在垂直于密封間隙面的方向上磁通密度分布會出現(xiàn)顯著差異：對齒聚磁結(jié)構(gòu)聚磁效果較好，間隙磁場分布形態(tài)相對一致，平行于密封間隙面的磁場梯

6、度較單側(cè)極齒提高一倍左右，且有利于克服轉(zhuǎn)動離心力的作用，其密封性能和緊湊性得到了進(jìn)一步的提高；新型疊加式磁性液體密封聚磁結(jié)構(gòu)利用磁場的疊加使密封間隙路徑上的有用磁通得到加強(qiáng)而使無用磁通得到減弱，與其它聚磁結(jié)構(gòu)相比較其間隙路徑上有著最大的磁場變化梯度，但是在垂直方向上很難形成平行的局部磁場。 密封間隙梯度磁場對磁性液體多體磁化動力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果表明，磁性粒子在間隙磁場中同樣會發(fā)生鏈狀序化，所形成的磁鏈?zhǔn)艿脚c密封間隙面平行和垂直兩個

7、方向的梯度磁場的作用。平行于密封間隙面的磁場梯度使磁鏈間距變小，而垂直于密封間隙面的梯度磁場使磁鏈向磁場強(qiáng)度較高的方向偏聚。單側(cè)極齒聚磁結(jié)構(gòu)中，磁鏈將向極齒側(cè)發(fā)生偏聚，在極齒對側(cè)發(fā)生磁性粒子的貧化，這是造成其靜態(tài)密封性能下降的主要原因；對齒聚磁結(jié)構(gòu)雖然在極齒附近也發(fā)生一定程度的偏聚，但極齒間隙中央?yún)^(qū)域?qū)儆谙鄬ζ叫械木鶆虼艌?，使磁鏈相互排斥，磁鏈兩端受到均衡梯度磁場作用，因而磁鏈不會向一個方向發(fā)生偏聚，結(jié)果使磁鏈在極齒間隙內(nèi)以相對離散的方