多物理场耦合下纳米流体在垂直多孔磁盘中的传热与不可逆性数值研究：基于Corcione关联的Al2 O3 /H2 O体系分析

本研究针对纳米流体在垂直多孔磁盘构型中的传热优化难题，通过建立包含Navier滑移、热跳跃和二次辐射的多物理场耦合模型，采用Corcione关联式量化纳米颗粒尺寸（28/30/45 nm）和体积分数（≤4%）对Al2 O3 /H2 O体系传热特性的影响。结合bvp4c数值求解发现，45 nm颗粒展现出最优努塞尔数，而28 nm颗粒导致最大表面摩擦系数。研究揭示了磁流体动力学（MHD）、多孔介质与热辐射的协同作用机制，为高能效换热设备设计提供了理论依据。

　　

在能源效率备受关注的今天，传统换热设备的性能瓶颈日益凸显。纳米流体技术作为突破传热极限的新途径，其核心挑战在于如何精确预测纳米颗粒与基液间的复杂相互作用。特别是当系统涉及多孔介质、磁场和热辐射等多物理场耦合时，传统理论模型往往难以准确描述实际工况。更棘手的是，纳米颗粒尺寸效应和界面滑移现象会显著改变流动与传热特性，而现有研究多局限于平板几何结构，对旋转磁盘等复杂构型的探索仍存在空白。

为攻克这些难题，一项发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》的研究开创性地建立了垂直多孔磁盘的纳米流体传热模型。研究团队通过整合Corcione经验关联式，首次系统考察了Al₂
O₃
纳米颗粒尺寸（28/30/45 nm）在磁流体动力学（MHD）、多孔介质渗透和二次热辐射多场耦合条件下的传热机制。采用相似变换将偏微分方程（PDEs）转化为常微分方程（ODEs），并运用MATLAB的bvp4c求解器进行数值求解，结合Lobatto IIIa三阶段配置法确保计算精度。

关键技术方法
研究通过Corcione模型计算纳米流体动态粘度和热导率，建立包含Brinkman数（Br）、辐射参数（Rd）和温度比参数（θ_w
）的无量纲控制方程。采用Runge-Kutta四阶（RK-IV）算法求解边界层流动，分析不同粒径纳米颗粒在质量抽吸（S）、磁参数（M）和孔隙参数（K）影响下的速度/温度分布。

研究结果

1. 速度场调控机制
在拉伸工况下，Navier滑移参数（A）和磁参数（M）每增加0.1，速度剖面下降12.7%，而质量抽吸（S=2.5）可使边界层厚度缩减38%。收缩工况则呈现反向调控特性，证实了流动方向对多场耦合效应的敏感性。

2. 温度场强化规律
纳米颗粒体积分数（φ）从1%增至4%时，努塞尔数（Nu）提升21.3%，其中45 nm颗粒的热传导增益比28 nm颗粒高14.7%。二次辐射（Rd=0.2）与温度比参数（θ_w
=1.1）协同作用使热流密度提升19.8%。

3. 熵产最小化策略
Brinkman数（Br=2.5）导致熵产（N_S
）激增52%，而采用28 nm颗粒配合温度差参数（α₁
=0.5）可降低17.3%的不可逆损失，揭示了纳米尺寸选择对系统优化的关键作用。

4. 工程性能指标
表面摩擦系数（C_f
）在28 nm颗粒时达到峰值3.67795，而45 nm颗粒的努塞尔数（Nu_r
Re_r
^-1/2
）比基准值高23.4%，证实大粒径颗粒更适用于高热流工况。

结论与展望
该研究通过建立多物理场耦合的纳米流体传热模型，首次揭示了垂直磁盘构型中颗粒尺寸与多场参数的协同调控规律。研究发现45 nm Al₂
O₃
颗粒在Rd>0.2时具有最佳热性能，而28 nm颗粒更适合高剪切应力场景。提出的熵产最小化策略为新一代换热设备设计提供了量化依据，其误差小于0.1%的数值方法也为复杂流动模拟建立了新标准。未来研究可拓展至非牛顿基液和三维曲面构型，进一步推动纳米流体技术在航天热控和电子冷却领域的应用。