外加磁场下磁液液滴二维运动的数值模拟

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磁性液体是磁性纳米颗粒均匀分布载体液体中形成的胶体悬浮液。它既具有液体的流动性,又具备磁性材料的可磁化性。施加外磁场可以有效且非接触式操控磁性液体或液滴,这被认为是一种理想的输运方式。磁场中的磁性液体液滴动力学行为异常复杂,目前磁场和流场的耦合机理尚不明确。本文针对磁性液体液滴输运做了初步的尝试和探索研究,旨在揭示外加磁场对磁性液体液滴运动和形变的影响,为磁性液体液滴输运的进一步探索提供参考依据。本文根据采用的VOSET界面追踪方法,将磁力和表面张力耦合到磁性液体两相流的动量方程之中,并与麦克斯韦方程组组成了磁性液体两相流的控制方程,从而建立了二维直角坐标系内磁性液体两相流的物理数学模型。针对水平管中心处的液滴在匀强磁场中的下落过程进行了数值模拟,并详细讨论了磁场强度、磁化率、表面张力、粘性力以及磁场方向对磁性液体液滴运动的速度和形状的影响。磁性液体液滴在磁场中形变量主要依赖于磁场强度和自身的磁化率。当磁性液体液滴在静态非磁性介质中运动时产生的射流作用会导致液滴沿运动方向的回缩,并且射流的强弱与无量纲数Re有关。相界面处的表面张力会阻碍液滴变形,水平管中磁性液体液滴的下落受壁面效应的影响显著,液滴的速度会因壁面效应骤降。在计算区域构造水平梯度磁场,并对水平管轴线上液滴的输运,做了初步的尝试和探索性的数值研究。梯度磁场不仅能改变磁性液体液滴的形状,还能为磁性液体液滴的输运提供驱动力,从而证明了简单梯度输运磁性液体液滴是可行的。在水平梯度磁场中作水平运动的磁性液体液滴,磁场强度、磁化率和液滴半径越大,液滴的形变和运动速度越大;与之相反,周围非磁性介质的黏度越大对液滴的形变越小。磁场梯度较小时,表面张力有充分的时间来平衡液滴头尾磁力的拉伸作用,液滴呈现为对称的扁平椭圆形;磁场梯度较大时,在磁力和周围粘性力的反向拉拽作用下液滴被拉伸成泪珠状。
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