Mikrokonvektīvās parādības neizotermiskās un neviendabīgās magnētisko nanodaļiņu dispersijas

Anotācija. Ferokoloīdiem – stabilām magnētisko nanodaļiņu dispersijām – piemīt vērā ņemamas magnētiskās īpašības, kuras izpaužas uz tiem iedarbojoties ar ārējo magnētisko lauku. Neizotermiskās koloidālās sistēmas savukārt izrāda ciešu saikni starp temperatūras un dispersās fāzes koncentrācijas gradientiem (Soret efekts). Tā galvenais cēlonis ir izmēru atšķirība starp binārā maisījuma komponentēm. Koncentrācijas un magnētiskā lauka gradientu mijiedarbība magnetizējamā vidē izraisa magnētiskos spēkus, kuri ietekmē siltuma un masas pārnesi. Šī teorētiskā pētījuma priekšmets ir fotoabsorbtīvo konvektīvi-difuzīvo mikrostruktūru rašanās un evolūcija ferokoloīdu slāņos ārēja magnētiskā lauka ietekmē. Tiek formulētas un risinātas dažas modeļproblēmas ar mērķi noskaidrot koncentrācijas magnētiskās konvekcijas veidošanās mehānismus koncentrācijas mikrostruktūrās, kuras tiek inducētas ar ārēja optiskā avota starojuma enerģijas absorbciju un no tās izrietošo termisko gradientu veidošanos. Ar teorētiskām metodēm tiek noteikta konvektīvās pārneses ietekme uz efektīviem transporta koeficientiem. Tiek apskatīta izstiepto fotoabsorbtīvo mikrostruktūru sekundārā hidrodinamiskā stabilitāte attiecībā pret noteicošo kontroles parametra variāciju. Skaitliskās simulācijās tika novērota izstiepto režģu destabilizācija un tai sekojoša translācijas simetrijas laušana. Savukārt, divdimensionālo tīklu stabilitātes zaudēšanai seko rotācijas simetrijas kārtas pazemināšanās. Iegūtie teorētiskie rezultāti ļauj interpretēt vai pārinterpretēt dažas fotoabsorbtīvo koncentrācijas mikrostruktūru veidošanās un evolūcijas īpatnības magnetokonvektīvas pārneses kontekstā. Koncentrācijas magnētiskās mikrokonvekcijas ietekmes analīze ļauj aprakstīt dažu iepriekš neizskaidrotu efektu mikroskopisko mehānismu. Tiek apstiprināta parazītiskās magnētiskās mikrokonvekcijas rašanās fotoabsorbtīvās mikrostruktūrās ārēja magnētiskā lauka ietekmē.Abstract. Ferrocolloids – stable dispersions of magnetic nanoparticles – possess notable magnetic properties, which become apparent in consequence of the application of the external magnetic fields and magnetic ordering of the nanoparticles. Non-isothermal colloidal systems in turn exhibit close coupling between the gradients of temperature and concentration of the dispersed phase – Soret effect - owing to the size difference between the components of the binary mixture. The interactions of the gradients of concentration and demagnetizing field in magnetizable medium contribute to the appearance of the magnetic forces affecting the regimes of heat and mass transfer. The subject of this theoretical investigation is the emergence and evolution of the photoabsorptive convective-diffusive microstructures in ferrocolloid layers under the action of the applied magnetic field. A series of model problems is formulated in order to elucidate the principal mechanisms of the formation of magnetosolutal microconvection within the concentration microstructures induced by the absorption of the incident optical intensity and the consequent appearance of the thermal gradients. The convective contributions to the effective transport coefficients are obtained by analytical and numerical methods. The secondary stability of the extended photoabsorptive microstructures is considered with respect to the variation of the control parameters. The destabilization of the extended gratings and the consequent breaking of the translational symmetry are observed in numerical simulations. In turn, the loss of stability of the bidirectional grids is followed by the reduction of the order of the rotational symmetry. The obtained theoretical results permit interpreting or reinterpreting some peculiarities of the real observations of the formation and evolution of the photoabsorptive concentration microstructures in the framework of magnetoconvective transport. The consideration of the influence of magnetosolutal microconvection in observable parameters has allowed describing the underlying microscopic mechanisms of some previously unexplained effects. In principle, the formation of the parasitic magnetic microconvection within the photoabsorptive microstructures under the action of the applied magnetic field is confirmed.Eiropas Sociālā fonda projekts «Atbalsts doktora studijām Latvijas Universitātē» Nr. 2009/0138/1DP/1.1.2.1.2./09/IPIA/VIAA/00

Microconvective effects in non-isothermal and inhomogeneous dispersions of magnetic nanoparticles

Anotācija Ferokoloīdiem – stabilām magnētisko nanodaļiņu dispersijām – piemīt vērā ņemamas magnētiskās īpašības, kuras izpaužas uz tiem iedarbojoties ar ārējo magnētisko lauku. Neizotermiskās koloidālās sistēmas savukārt izrāda ciešu saikni starp temperatūras un dispersās fāzes koncentrācijas gradientiem (Soret efekts). Tā galvenais cēlonis ir izmēru atšķirība starp binārā maisījuma komponentēm. Koncentrācijas un magnētiskā lauka gradientu mijiedarbība magnetizējamā vidē izraisa magnētiskos spēkus, kuri ietekmē siltuma un masas pārnesi. Šī teorētiskā pētījuma priekšmets ir fotoabsorbtīvo konvektīvi-difuzīvo mikrostruktūru rašanās un evolūcija ferokoloīdu slāņos ārēja magnētiskā lauka ietekmē. Tiek formulētas un risinātas dažas modeļproblēmas ar mērķi noskaidrot koncentrācijas magnētiskās konvekcijas veidošanās mehānismus koncentrācijas mikrostruktūrās, kuras tiek inducētas ar ārēja optiskā avota starojuma enerģijas absorbciju un no tās izrietošo termisko gradientu veidošanos. Ar teorētiskām metodēm tiek noteikta konvektīvās pārneses ietekme uz efektīviem transporta koeficientiem. Tiek apskatīta izstiepto fotoabsorbtīvo mikrostruktūru sekundārā hidrodinamiskā stabilitāte attiecībā pret noteicošo kontroles parametra variāciju. Skaitliskās simulācijās tika novērota izstiepto režģu destabilizācija un tai sekojoša translācijas simetrijas laušana. Savukārt, divdimensionālo tīklu stabilitātes zaudēšanai seko rotācijas simetrijas kārtas pazemināšanās. Iegūtie teorētiskie rezultāti ļauj interpretēt vai pārinterpretēt dažas fotoabsorbtīvo koncentrācijas mikrostruktūru veidošanās un evolūcijas īpatnības magnetokonvektīvas pārneses kontekstā. Koncentrācijas magnētiskās mikrokonvekcijas ietekmes analīze ļauj aprakstīt dažu iepriekš neizskaidrotu efektu mikroskopisko mehānismu. Tiek apstiprināta parazītiskās magnētiskās mikrokonvekcijas rašanās fotoabsorbtīvās mikrostruktūrās ārēja magnētiskā lauka ietekmē.Abstract Ferrocolloids – stable dispersions of magnetic nanoparticles – possess notable magnetic properties, which become apparent in consequence of the application of the external magnetic fields and magnetic ordering of the nanoparticles. Non-isothermal colloidal systems in turn exhibit close coupling between the gradients of temperature and concentration of the dispersed phase – Soret effect - owing to the size difference between the components of the binary mixture. The interactions of the gradients of concentration and demagnetizing field in magnetizable medium contribute to the appearance of the magnetic forces affecting the regimes of heat and mass transfer. The subject of this theoretical investigation is the emergence and evolution of the photoabsorptive convective-diffusive microstructures in ferrocolloid layers under the action of the applied magnetic field. A series of model problems is formulated in order to elucidate the principal mechanisms of the formation of magnetosolutal microconvection within the concentration microstructures induced by the absorption of the incident optical intensity and the consequent appearance of the thermal gradients. The convective contributions to the effective transport coefficients are obtained by analytical and numerical methods. The secondary stability of the extended photoabsorptive microstructures is considered with respect to the variation of the control parameters. The destabilization of the extended gratings and the consequent breaking of the translational symmetry are observed in numerical simulations. In turn, the loss of stability of the bidirectional grids is followed by the reduction of the order of the rotational symmetry. The obtained theoretical results permit interpreting or reinterpreting some peculiarities of the real observations of the formation and evolution of the photoabsorptive concentration microstructures in the framework of magnetoconvective transport. The consideration of the influence of magnetosolutal microconvection in observable parameters has allowed describing the underlying microscopic mechanisms of some previously unexplained effects. In principle, the formation of the parasitic magnetic microconvection within the photoabsorptive microstructures under the action of the applied magnetic field is confirmed

Measurements of rotary and translation diffusion of magnetite nanoparticles in magnetic fluid

Magnētiskie šķidrumi ir magnētisko daļiņu suspensijas šķidrajā šķīdinātajā. Šo daļiņu hidrodinamiskā izmēra un formas noteikšana ir uzdevums, kas prasa netiešo pieeju, jo šķidruma preparēšana var izmainīt daļiņas struktūru vai koloīda stabilitāti un novest pie nepareiziem rezultātiem. Šajā darbā tiek pētītas rotācijas un translācijas difūzijas izpausmes magnētiskajā šķidrumā ar magnetīta nanodaļiņām. Eksperimentāli tika noteiktas rotācijas un translācijas difūzijas koeficientu vērtības dažādos apstākļos. Ir paradīts, ka salīdzinot divus difūzijas tipus ir iespējams novērtēt koloidālas daļiņas hidrodinamisku izmēru un formu bez preparēšanas. Rezultāti ir salīdzināti ar pētāmā magnētiskā šķidruma magnētiskās granulometrijas un elektronu mikroskopijas rezultātiem, kuri liecināja par labu precizitāti un ticamību.Magnetic fluids are suspensions of magnetic particles in liquid carrier. Determination of the size and shape of these particles requires indirect approach, since preparation of the fluid can change the structure of the particle or the stability of colloid and lead to incorrect results. Manifestations of translation and rotary diffusion in magnetic fluid with magnetite nanoparticles are the topic of this research. The values of coefficients for rotary and translation diffusion have been determined experimentally in various conditions. It has been shown that comparison of two types of diffusion allows estimating the hydrodynamic diameter and shape of colloidal particle without preparation. The results are compared with magnetic granulometry and electron microscopy of the investigated magnetic fluid and have shown good accordance

Investigation of heat transfer efficiency due to thermomagnetics convection in magnetic fluid

Šī maģistra darba galvenais mērķis ir īpaša termiski jutīga magnētiskā šķidruma termomagnētiskās konvekcijas izpēte ar skaitliskām metodēm. Šķidrums ir pētīts noslēgtajā vienas fāzes termosifona tipa cilindriskā ģeometrijā ar konstantām temperatūrām uz apakšējo un augšējo galiem un adiabātiskiem robežnosacījumiem uz sānu sienas. Termomagnētiskā konvekcija tiek ģenerēta ar nehomogēnu pastāvīgu magnētisko lauku ar spoli, kura ir koaksiāli iegremdēta šķidrumā. Tika atrasts, ka konvektīvas siltumpārneses efektivitāte šādā iekārtā ar magnētisko lauku aplūkotājā parametru diapazonā var tikt paaugstināta līdz pat 7 reizēm. Tiek veikta aprēķinu rezultātu analīze un salīdzinājums ar eksperimentāliem datiem. Sakritība ar eksperimentu ir laba. Atslēgvārdi: termomagnētiskā konvekcija, termosifons, magnētiskais šķidrums, dzesēšanaThe main focus of this master’s thesis is the numerical investigation of the process of thermomagnetic convection in a special temperature sensitive ferrofluid. The fluid is studied in a closed single phase thermosiphon type cylindrical enclosure with constant temperatures defined on the upper and lower ends and adiabatic boundary conditions on the sidewall. Thermomagnetic convection is generated by the applied non-homogeneous constant magnetic field of a coil, which is coaxially immersed in the ferrofluid. It has been found that the efficiency of convective heat transfer in such setup can be increased up to 7 times by magnetic field within the studied range of parameters. The analysis of the numerical results and comparison with the experimental data is also given. Agreement with the experiment is good. Keywords: thermomagnetic convection, thermosiphon, ferrofluid, coolin