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磁刺激流动模式提供了热传递问题的策略

发布时间:2017/03/21 技术资料 标签:Magnet悬浮技术磁刺激磁场磁铁科学线圈能源浏览次数:339

磁刺激流动模式提供了热传递问题的策略

磁刺激流动模式提供了热传递问题的策略
桑迪亚国家实验室研究员吉姆·马丁在特制的磁铁之间同步观看模式形成在3厘米(1.2英寸)容器内的液体。他和桑迪亚博士研究员Kyle Solis已经发现如何利用磁场在颗粒悬浮液中产生有力的,有组织的流体流动。图片来源:Randy Montoya … 更多

(Phys.org)-Sandia国家实验室的研究人员吉姆·马丁和Kyle Solis都有马丁所说的“一个问题的魔鬼”。

他们已经发现如何利用磁场在颗粒悬浮液中产生有力的,有组织的流体流动。当热传递困难时,磁刺激流提供了替代方案,因为它们克服了自然对流极限。Martin和Solis甚至展示了一个可以潜在地控制计算机处理器温度的热转换阀。

但他们不知道如何和为什么流动模式发生,虽然显然它是一个复杂的科学行为,源于基本现象。

“只是因为效果很容易产生并不意味着它会很容易理解,”马丁说。

这也是一个难以模拟的问题,因为与微小的颗粒尺寸相比,流动模式的巨大规模,他说。他和Solis,一个学生实习生计划博士研究员,已经在磁性血小板悬浮液中生成流动模式约三年。他们于2010年在美国物理学应用物理学通讯( American Physics’sApplied Physics Letters)上发表了一篇论文,并于2012年在皇家化学学会的“ 软物质 ”杂志上发表了另一篇论文,概述了他们如何创建流动模式。Martin 在11月的国际期刊“ 物理进展报告”上主持了一个专题评论,称为“驱动胶体悬浮液中的自组装和紧急动力学的时间依赖磁场” 。

这对由能源科学办公室资助的研究正在集中于扩展对液体中新热传输的基本理解,评估各种流动的有效性,并探索当研究人员修改实验参数时发生的情况。Martin和Solis发现这些图案仅用于形状类似板的磁性颗粒,基本上是磁性的五彩纸屑。球形和棒状颗粒不产生效果。

使流体流如对流

目标是使流体自身流动,如在热对流中。对流是熟悉的每个人谁煮沸水或奇迹鸟类或滑翔机乘坐上升的列的温暖空气被称为热量。然而,它不在没有重力的外部空间中或在位于热物体下方而不是在热物体上方的液体中工作。现代世界通过使用具有与流体接触的相关联的密封件和阀的泵和风扇来强制对流,但是这些运动部件迟早会腐蚀和分解。

Martin和Solis通过向液体中加入少量磁性片晶并且施加适度的,均匀的交流(AC)磁场来使流体移动。这种现象称为等温磁平流,对于非接触传热显示出非常好的结果,并且可用于冷却微系统,在微重力中冷却或在防止对流的情况下传热。

“我们对这些事情发生的原因没有太多的了解,但我们可以确定效果是什么,以及它的工作原理,”Martin说。正在进行的实验,加上建模,正在推进对现象的理解。

由于均匀磁场可以容易地缩放到任何尺寸,他说,该技术可以在从反应堆冷却到微流体的问题中是实用的,这是一个多学科领域,例如在设计处理微小体积流体的系统中使用,例如血液样品。

研究人员发现了他们称为对流晶格的各种流动模式。“模式是非常显着的,因为不容易理解为什么流体应该流动在第一位,因为一个均匀的磁场不施加力在粒子,只是一个扭矩,”马丁说。

他将流格与流行的鸟类的模式或杂音进行了比较,“每只鸟都遵守一些简单的规则,例如避免撞到邻近的鸟类,没有领导者,这些模式只是自发地从这些简单的规则中产生每个粒子都服从简单的规则,但是总的来说这里出现的行为是相当令人惊讶的。

特制磁铁产生均匀场

对于流体流不需要使用非常强的磁场。研究人员生成具有特殊构造的磁体的均匀的多轴AC磁场,该磁体由布置成产生三个相互垂直的磁场的三个嵌套线圈对组成。想象一个矩形盒子,其中线圈胶合到六边中的每一边。相对侧上的线圈被连接在一起并产生沿着其圆柱轴线指向的场。这种布置使得研究人员能够同时沿着南北,东西和上下方向产生具有独立频率的磁场。

净效应是其方向和幅度随时间急剧和快速变化的磁场。

通常,磁场在大小和方向上是恒定的,类似于地球的磁场。另一方面,Martin和Solis使用范围从约50-1,000赫兹(Hz),或每秒50至1,000个周期的交变磁场。只需要两个场分量来产生流场,但三个可以产生特别剧烈的流动。

他们在实验室中展示了模式,首先是含有少量磁性血小板的流体悬浮液,然后是更密集的悬浮液。血小板开始是无序的沉积物,但当应用场时,图形立即出现,它们的结构取决于所使用的磁场。马丁和索利斯描述了各种模式,它们的特征只有毫米,看起来像彼此滑动的蠕虫,向上游游,p,渔网,沙涟漪,脊或河流格子。一个模式扭动,好像小虫子在下面移动。

马丁指出,并非格子中的所有“河流”都以相同的方向流动:切穿流体将显示出流动列的棋盘图案,一些流向单向,相邻列流向相反方向。

“这是一个神秘的现象,”他说,他用一个微小的光照亮位于磁铁中间的3厘米(cm)或1.2英寸方形玻璃容器的流体。

图案随磁场变化而变化

演示开始于一个线圈对以150Hz运行,第二个设置在75Hz。Solis通过计算机改变频率,并且在一个点引入一个场分量中的轻微频率变化以连续调制流动模式。

“样本将经历所有这些转变,”马丁说。“在任何一个时刻,它都试图成为领域指导它成为,但现在领域不断变化,导致模式演变。换句话说,有很多模式是可能的,我们可以选择这些仔细调整场分量之间的相位角。

一种模式是微型龙卷风在与它们的邻居相反的方向旋转的涡旋晶格。马丁这样解释:假设你有一个棋盘,在每个广场中间的一个轴上安装一个齿轮。如果你在啮合齿轮的格子中顺时针转动一个齿轮,它的四个邻居逆时针转动,它们的每个邻居转向相反的方向,等等。

“这是同样的事情,但它都是一个流动,”他说。

Solis通过用更多溶剂(在这种情况下为异丙醇)或通过除去大部分溶剂稀释流体来改变实验的参数。他还拨动磁力上下。一些图案快速移动,甚至剧烈移动,并且解决方案可能突然爬上两边并溢出。在一个点上,Solis关闭了油田,流体显示出以前的模式的残影。当字段重新启动时,流程立即恢复。

研究人员展示热阀

Martin和Solis使用这种现象来创建它们可以控制以传递或阻挡热量的热阀。他们使流动池几英寸长,在外墙上的块,水流过,以保持块冷。水块在由嵌入有金属丝的塑料制成的剃刀刀片尺寸加热器分隔的室的侧面。为了测试热传导性能,研究人员运行通过加热器的电流并测量其热量。由于温度取决于该腔室的磁结构的流体的热传导性能,它们控制通过控制由血小板中产生的流动的温度的磁场。

一些领域有效地固化流体并使加热器变得非常热,而其他领域产生强的流动,因此有效地提取热量,使得加热器的温度仅升高比水块温度高0.3摄氏度(约0.5华氏度),Martin说过。

因此,它的作用就像一个阀门,因为它可以控制热量的1厘米的差距百倍,他说。“想想一个水阀可以控制水流量的100倍 – 也许有点漏,但仍然比没有阀门更好。他还说,还有改进的余地。

“热传递可以控制在任何大小的体积,并且热传递的相对效率实际上随着规模增加,”马丁说。“很容易在大体积上产生热传递,因为产生磁场的线圈在任何尺寸上都同样有效。

等温磁平流可以帮助有效地管理计算机中的过热。Martin说,现代超级计算机中的芯片越来越热,使用更多的功率,并从中消除热量是一个技术挑战,限制了开发。它不只是大系统。Solis说:“现在对个人电子产品(如笔记本电脑)进行散热的限制之一是,在噪声变得太讨厌之前,人们可以在多长时间内运行这些风扇。

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