Микроскопический подход, аналогичный использованному в [51], был применен для рассмотрения природы конвекционных явлений в поверхностных слоях [49] в водных растворах при \НфО, для водных сред, содержащих парамагнитные ионы или частицы.

Согласно [48, 49], для неоднородных магнитных полей при значительном в водных растворах электролитов, содержащих парамагнитные ионы или микрочастицы, скорость движения всей массы жидкости в единице объема определяется как

V, = {Llp) i ch, (1.21) *=i

p, = (ntkO/kT) X,Wk дН/ду. (1.22)

Здесь nih Vi Dh - масса и коэффициент диффузии иона; Xft - магнитная восприимчивость; Wh - объем частицы.

Как показали расчеты, эффекты будут значительны только при Ю-Ю А/м2. В обычных экспериментальных условиях получить такие поля сложно. Однако исследования показали, что подобные значения V Я могут быть не только в области границ доменов на поверхности ферромагнетика вблизи полюсов однодо-менных частиц, но и в области краевых эффектов магнитных полей обычной напряженности, т. е. при Я =10-н10 А/м.

1.2. Гидродинамические эффекты в водных электролитах в электрических и магнитных полях

МГД-эффекты в электролитах. Возникновение различных конвекционных и волновых явлений в средах высокой (а 10 См/м) и низкой проводимости (а 10 См/м) при воздействии на них электрических и магнитных полей и при отсутствии вынужденной конвекции изучено достаточно хорошо. Мало исследована природа подобных явлений в водных средах (10 * 10* См/м). При решении ряда теоретических, экспериментальных и особенно прикладных задач феноменологические представления о водных средах как о жидкостях, отличающихся лишь относительно низкой проводимостью, становится уже недостаточными в связи с необходимостью учета особых реологических, электрических и тепловых свойств воды и ее растворов в объеме и в области межфазных границ.

Конвекция и волны в макрообъемах. Создание вихревых потоков, поверхностных и внутренних волн заданной структуры позволяет изучать различные типы массообмена и исследовать методы их интенсификации, что является одной из актуальных задач физической гидродинамики как для ньютоновских жидкостей, так и для сложных реологических систем [49, 87, 88, 114].

в отличие от расплавленных металлов, водные среды оптически прозрачны, позволяют работать при низких температурах и проводить экспериментальные исследования для широкого круга различных магнитогидродинамических задач [21, 48, 49].

Динамика движения вязкой слабопроводящей несжимаемой жидкости, к которой можно отнести водные растворы электролитов, описывается уравнениями Навье-Стокса и непрерывности:

р [dWIdt - (Vv) V] = - VP -f pg + nAV -f f I (1.23)

divV = 0 J

Относительно низкие значения a и V позволяют, согласно критериальным оценкам, не учитывать индуцированные токи и магнитные поля. Точное решение (1.23) возможно лишь в отдельных частных случаях, что затрудняет интерпретацию и сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Для тангенциальной скорости стационарного потока V в кольцевом осесимметричном канале, расположенном в однородном аксиальном магнитном поле, такое решение приведено в [48]:

---Г In Г

(1.24)

где / - сила тока; и Го - радиусы кольцевых электродов, Ro> >го; л- текущий радиус; h - высота канала; В - индукция магнитного поля; т) - коэффициент вязкости. Для среднего значения скорости V по сечению канала го г (1-24) может быть преобразовано к виду

где K = Rolro, К>\.

При го1/мгд=0 и возможности протока работа подобной системы осуществляется в режиме кондукцнонного насоса.

Используя кондукционно подводимый ток и постоянные магнитные поля, можно управлять структурой пограничного слоя [21, 34, 39]. При rot fMTOO, где

rot Г ,д = rot [j X В] = (В V) j - (j V) В О, (1.26)

/ - плотность тока в электролите, возникает вихревое движение электролита при выполнении одного из условий V/=#=0 или V Вф фй. На рис. 1.3 приведены примеры вихревых структур в водном электролите для различных значений В при V/-0. Количественные изменения скорости потока в водной среде в зависимости от различных физических и химических факторов приведены в [21, 48, 49]. В частности, эксперименты в кольцевом и прямоугольных каналах показали, что согласно (1.25), с увеличением I н В увеличивается и скорость потока (рис. 1.4). Зависимость a=f{E) вне

областей, где справедлив закон Вина, для электролитов носит линейный характер. Однако при определенных условиях плотность тока ограничена в водных электролитах предельным значением,

Рис. 1.3. Примеры возбуждения вихревых структур в водном электролите МГД-методом. Визуализация ликоподием.

а - пластинка намагниченного магнитоэласта V/OfV =70; - кольцевые магниты, неправ-.пенные вверх разнонмеиными полюсами,V /=0,v ВфО.

определяемым концентрацией электролита, геометрическими размерами системы, коэффициентами диффузии и зарядностями катионов и анионов (Da, Dk, Za, z ). Так, для плоского прямоугольного канала с межэлектродным расстоянием d при концентрации электролита Са [92]

У р = I IdDFz (Za -f 2к) Со, (1.27)

что приводит к ограничению значений скоростей в электролитах.