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结构与动力学

结构与动力学

铁磁泵没有活动部件

由于磁场的作用,铁磁流体显示出尖锐的表面

美国的科学家已经开发出一种无需使用任何机械部件即可泵送铁磁流体的新方法。他们声称自己的技术被称为“铁水动力泵”可以方便地按比例放大或缩小,以用于微流体设备或工业规模的泵送设备,以及介于两者之间的任何设备。

铁磁流体是美国国家航空航天局(NASA)在1960年代开发的,它是一种非机械方式向太空中泵送燃料的方法。他们属于“smart fluids” –其性质可以通过施加磁场或电场来改变的流体。如今,铁磁流体具有广泛的应用范围,它们被用作液体0形环,用于高端音频扬声器,计算机电路以及生物医学设备中。

奇怪的酿造

铁磁流体是由悬浮在载液中的纳米级铁磁颗粒制成的胶体液体。它们在保持液体特性的同时对磁场做出响应,并且可以通过外部磁场进行操纵。铁磁流体与磁流变流体(MR流体)(另一种智能流体)之间的本质区别在于粒径–铁磁流体中的纳米粒子由于布朗运动而悬浮,因此在正常条件下不会沉降。而MR流体中的颗粒只有微米级,太重而无法通过布朗运动悬浮。

当铁磁流体暴露于磁场中时,大部分液体会被磁化,并且其表面具有一定的形状以使系统的能量最小化。有时,液体上会形成奇特的尖峰’存在强磁场梯度的表面–在一些有趣的特效和艺术项目中得到了利用。“如果您曾经看过电影场景,其中似乎有一个奇怪的黑色液体向主角蔓延,– think X档案 –液体很有可能是铁磁流体,”这项研究的作者之一赫尔·科瑟(Hur Koser)说: 体检B.

流体回路

在Koser博士期间,他对微型磁场发生器的设计产生了兴趣之后,Koser及其美国佐治亚大学和麻省理工学院的同事提出了他们的泵浦设计。他说,当时困扰他的团队的一个常见疑问是,“这些机器可以用于在微流体设备中泵送流体吗?”创建一个微型电动机来泵送流体很复杂,但是Koser意识到,如果流体本身是磁性的,则可以在没有任何电动机的情况下将其驱动和泵送。然后,Koser和他的同事Leidong Mao使用计算机模拟进行了一个实验来演示这种驱动泵,并制造了他们的设备。“回想起来,实验是最简单的部分。困难在于在我们的计算机仿真中考虑了与铁流体动力学相关的所有非线性,这花费了更长的时间– almost years – to conclude,” explains Koser.

该设备包括一个封闭的流体回路,它们使用在当地五金店购买的PVC管道构建而成。他们在回路中增加了手动阀以在需要时停止循环流动,并增加了两个压力端口以测量由电气绕组产生的压力–管子周围绕了许多匝铜带–以不同的方式“我们使电流通过绕组以产生磁激励,该磁激励沿着流体回路的一根臂上的管子的长度传播。电流由从当地音乐商店购买的立体声放大器驱动。所使用的铁磁流体是基于矿物油和磁铁矿纳米颗粒的廉价,市售配方,”Koser说,他解释了他们的设备的制造过程多么简单。

连锁反应

电磁线圈会产生磁场,研究人员将其称为“travelling wave”。毛解释说,这些场旋转了液体中的纳米粒子。“We can control the strength, frequency and direction of the 行波s, which in turn result in locally rotating magnetic fields within the ferrofluid. The field is set up to generate a gradient of nanoparticle rotation –管道内较深的管道旋转速度比表面附近的管道慢。该自旋梯度会在铁磁流体中建立剪切梯度,从而线性推动它,”他说。大的自旋梯度意味着每个粒子’s的旋转与其周围的旋转高度耦合,而零旋转梯度表示粒子’s的旋转根本不会相互影响。

The researchers also noted a discrepancy between their simulations and observed pumping characteristics. They found that the individual nanoparticles could not have been responsible for the measured pumping because the flow that they observe requires coupling between the physical rotation of magnetic nanoparticles and the surrounding liquid medium. So they deduced that a small percentage of magnetite nanoparticles must have dynamically formed short linear, reversible chains caused by the 行波, and that it was the rotation of these chains that lead to the differences observed.

研究人员开发的泵送方法可用于几乎所有类型的铁磁流体,无论是油基还是水基。由于没有辅助液体可泵送,因此可以单独优化铁磁流体,以最大程度地延长货架寿命并实现最佳泵送。他们认为,他们的技术可以导致基于铁磁流体的紧凑,集成和高效的液体冷却方案,这些方案可以用于计算机的小型冷却系统。“借助更高效的散热功能,您的笔记本电脑可以薄两倍,轻三分之一,而且速度更快,” says Koser.

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