Comparative Study of Models and a New Model of Ferrofluid Viscosity under Magnetic Fields and Various Temperatures

• Autorzy: Tarasevych Yuliia , Szczęch Marcin

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.4666

Warianty tytułu

PL

Badanie porównawcze modeli i nowy model lepkości ferrofluidu w polu magnetycznym i różnych temperaturach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ferrofluid is a substance with a controllable viscosity that is used in various systems for dispersing mechanical energy, such as brakes or vibration dampers. It is also used in seals or loudspeakers. An increase in the magnetic field affects the formation of particle structures inside the carrier fluid, which increases internal friction. Existing mathematical models that describe the increase in viscosity do not provide satisfactory results for commercial and undiluted ferrofluids. In this study, we measured viscosity, which refers to the increased resistance a magnetic fluid creates when it flows under shear. Various synthetic oil-based ferrofluids with known saturation magnetization values and different particle distributions were selected for the study. The temperature range of 25–80°C and the value of the shear rate of 100 s-1 were taken into account. The aim of the study is to compare existing mathematical models with experimental results and to propose a model that best describes the effect of the magnetic field on the increase in viscosity of the fluids studied. The proposed model is based on dividing the particle distribution into two fractions and applying a correction factor. The results showed that the difference in theoretical and experimental values does not exceed 6.5%. Research and results have potential applications in the design and development of synthetic oil-based ferrofluid applications where significant temperature changes occur.

PL

Ferrociecz to substancja o sterowalnej lepkości, która znajduje zastosowanie w różnych systemach dyssypacji energii mechanicznej, takich jak hamulce czy tłumiki drgań. Stosowana jest również w uszczelnieniach czy głośnikach. Wzrost pola magnetycznego wpływa na powstawanie struktur cząsteczkowych wewnątrz cieczy nośnej, co zwiększa tarcie wewnętrzne. Istniejące modele matematyczne opisujące wzrost lepkości nie do starczają zadawalających wyników dla komercyjnych i nierozcieńczonych ferrocieczy. W pracy dokonano pomiarów lepkości, która odnosi się do wzrostu oporu, jaki stawia ciecz magnetyczna podczas przepływu pod wpływem siły ścinającej. Do badań wybrano różne ferrociecze na bazie oleju syntetycznego o znanej wartości magnetyzacji nasycenia oraz różnym rozkładzie cząstek. Wzięto pod uwagę zakres temperatury 25–80°C oraz wartość szybkości ścinania 100 s-1. Celem pracy jest porównanie istniejących modeli matematycznych z wynikami eksperymentalnymi i zaproponowanie modelu, który najlepiej opisuje wpływ pola magnetycznego na wzrost lepkości badanych płynów. Proponowany model bazuje na podziale rozkładu cząstek na dwie frakcje oraz zastosowaniu współczynnika korekcyjnego. Wyniki wykazały, że różnica w wartościach teoretycznych i eksperymentalnych nie przekracza 6,5%. Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki mają potencjalne zastosowanie w projektowaniu i rozwoju aplikacji ferrocieczy na bazie oleju syntetycznego, gdzie występują znaczące zmiany temperatury.

Słowa kluczowe

EN

magnetic fluid; ferrofluid; rotational viscosity; magnetoviscous effect; rheology

PL

ciecz magnetyczna; ferrociecz; lepkość rotacyjna; efekt magnetolepkości; reologia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 1
• Strony: 135--145
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Tarasevych Yuliia

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, A. Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7483-337X

autor

Szczęch Marcin

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, A. Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1997-357X

Bibliografia

• 1. Yang W., Yumeng Z., Yang X., Sun Ch., Chen Y.: Systematic analysis of ferrofluid: a visualization review, advances engineering applications, and challenges, Journal of Nanoparticle Research, 24 (6), 2022, pp. 1–44, DOI: 24. 10.1007/s11051-022-05477-5.
• 2. Izaz R., Piotr G., Heung S.-K.: Numerical investigation of ferrofluid preparation during in-vitro culture of cancer therapy for magnetic nanoparticle hyperthermia, Sensors, 21(16), 2021, pp. 1–19, https://doi.org/10.3390/s21165545.
• 3. Chen S., Li D.: Control of Magnetic Particle Size in Ferrofluid and Its Effect on Rheological Properties, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 35, 2022, pp. 1–9, https://doi.org/10.1186/s10033-022-00718-z.
• 4. Odenbach S., Pop L., Zubarev A.: Rheological properties of magnetic fluids and their microstructural background, GAMM-Mitteilungen, 30, 2007, pp. 195–204, DOI: 10.1002/gamm.200790008.
• 5. Stepanov V.: Magnetoviscosity and relaxation in magnetic fluids, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 258-259, pp. 443–445 (2003). DOI: 10.1016/S0304-8853(02)01090-9.
• 6. Li W., Li Z., Han W., Li Y., Yan S., Zhao Q., Chen F.: Measured viscosity characteristics of Fe3O4 ferrofluid in magnetic and thermal fields, Physics of Fluids, 35, p. 012002 (2023), https://doi.org/10.1063/5.0131551.
• 7. Bhandari A.: Study of magnetoviscous effects on ferrofluid flow, The European Physical Journal, 135(7), 2020, pp. 1–14, https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-020-00563-w.
• 8. Ambacher O., Odenbach S., Stierstadt K.: Rotational viscosity in ferrofluids, Zeitschrift für Physik B Condensed Matter, 86, pp. 29–32 (1992), DOI: 10.1007/BF01323543.
• 9. Rosa A., Cunha F.: The influence of dipolar particle interactions on the magnetization and the rotational viscosity of ferrofluids, Physics of Fluids, 31(5), 2019, p. 052006, https://doi.org/10.1063/1.5093267
• 10. Sharma K., Kumar S.: Impacts of low oscillating magnetic field on ferrofluid flow over upward/downward moving rotating disk with effects of nanoparticle diameter and nanolayer, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 575, p. 170720 (2023), https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.170720.
• 11. Mamiya H., Fukumoto H., Cuya Huaman J.L., Suzuki K., Miyamura H., Balachandran J.: Estimation of Magnetic Anisotropy of Individual Magnetite Nanoparticles for Magnetic Hyperthermia, ACS Nano, 14(7), 2020, pp. 8421–8432, doi: 10.1021/acsnano.0c02521. Epub 2020 Jun 30. PMID: 32574042.
• 12. Shliomis M.I.: Effective viscosity of magnetic suspensions, Soviet Phys JETP, 34(6), 1972, pp. 1291–1294.
• 13. Roscoe R.: The viscosity of suspensions of rigid spheres, British Journal of Applied Physics, 3, 1952, pp. 267–269.
• 14. Brinkman H.C.: The Viscosity of Concentrated Suspensions and Solutions, The Journal of Chemical Physics, 20(4), 1952, pp. 571–581.
• 15. Rosensweig R.E.: Ferrodynamics. Cambridge University Press, New York 1985.
• 16. Chong J.S., Christiansen E.B., Baer A.D.: Rheology of concentrated suspensions, Journal of Applied Polymer Science, 15, 1971, pp. 2007–2021, DOI:10.1002/app.1971.070150818.
• 17. Pszenicznikow A.F., Gilew W.G.: Reologija i namagniczennostʹ koncentrirowannych magnietitowych kolloidow// Kolloidnyj żurnal. 1997. T. 59. Wyp. 3, pp. 372–379.
• 18. Shliomis M.I.: Ferrohydrodynamics: Testing a third magnetization equation, Physical Review E, 64, 2001, pp. 1–4, DOI: 10.1103/PhysRevE.64.060501.
• 19. Tarasevych Y., Szczęch M.: Determination of ferrofluid magnetisation curve based on the measurement of particle distribution obtained by the DLS method, Quarterly Tribologia, 303(1), 2023, pp. 77–84, DOI: 10.5604/01.3001.0016.2935.
• 20. Scott Kemp J., Matthew Ferguson R., Amit Khandhar P., Kannan Krishnan M.: Monodisperse magnetite nanoparticles with nearly ideal saturation magnetization, RSC Advances, 6, 2016, pp. 77452–77464, https://doi.org/10.1039/C6RA12072E.