Riga板诱导的Maxwell-Sutterby生物对流流体热评估：基于Levenberg-Marquardt算法的活化能与电磁效应研究

本研究针对非牛顿流体在生物医学工程中的热传递效率问题，通过Levenberg-Marquardt反向传播算法结合bvp5c MATLAB求解器，分析了Riga板诱导的Maxwell-Sutterby纳米流体在微生物存在下的传热传质行为。研究发现，布朗运动(Nb)、哈特曼数(H)和热辐射(Rd)显著提升努塞尔数(Nu)，而热泳力(Nt)和磁场增强了温度分布，为生物流体力学和热管理系统优化提供了新见解。

　　

在生物医学工程和工业应用中，非牛顿流体的热传递效率提升一直是研究热点。纳米流体因其优异的导热性能被广泛应用于电子冷却、癌症治疗和聚合物加工等领域。然而，复杂流体如Maxwell和Sutterby流体在电磁场作用下的热质传递机制尚不明确，特别是当涉及微生物对流和活化能效应时。这一问题在Riga板（一种用于研究磁流体动力学的实验装置）的应用场景中尤为突出，亟需建立精确的数学模型和数值方法来解决。

为此，研究人员开展了针对Riga板诱导的Maxwell-Sutterby纳米流体流动的综合性研究。通过建立包含活化能、焦耳热和可变热导率的控制方程，团队采用Levenberg-Marquardt反向传播算法结合MATLAB的bvp5c求解器，成功将偏微分方程(PDE)转化为非线性常微分方程(ODE)并求解。研究结果发表在《Results in Engineering》上，为生物流体控制和热能管理提供了重要理论依据。

关键技术包括：1）相似性变换将PDE转化为ODE；2）bvp5c数值求解器结合射击法；3）Levenberg-Marquardt算法优化神经网络预测；4）基于回归分析的统计验证。研究使用Riga板实验装置模拟电磁场环境，考察了微生物对流对纳米颗粒稳定性的影响。

问题公式化部分建立了包含连续方程、动量方程、能量方程和浓度方程的数学模型。引入无量纲变量后，控制方程被简化为包含德博拉数(γ)、哈特曼数(H)、埃克特数(Ec)等参数的耦合ODE系统。边界条件考虑了壁面滑移和热辐射效应。

数值技术部分详细介绍了bvp5c求解器的实现过程。通过变量替换将高阶ODE转化为一阶系统，设置收敛容差为10^-6
。Levenberg-Marquardt神经网络采用三层结构（输入层10节点、隐含层15节点、输出层4节点），激活函数为Sigmoid，经1000次迭代后MSE（均方误差）降至10^-4
量级。

结果与讨论部分的主要发现包括：

1. 速度场f'(η)随德博拉数(γ)增大而降低，表明流体弹性增强会抑制流动；而温度场θ(η)则随γ升高，因弹性储能转化为热能。
2. 磁场参数H从0.4增至2时，努塞尔数Nu从0.81降至0.68，证实洛伦兹力对传热的抑制作用。
3. 活化能E增加导致浓度边界层增厚，当E从0.1升至1.3时，舍伍德数Sh降低7.2%。
4. 热辐射Rd使温度分布显著提升，Rd=5时θ(η)较基线情况升高42%，证实辐射传热在高温应用中的重要性。
5. ANN预测与数值解R²

0.99，验证了模型的可靠性。误差分析显示最大相对误差不超过0.3%。

研究结论指出：Maxwell-Sutterby流体的粘弹性与电磁效应存在复杂耦合，德博拉数(γ)和哈特曼数(H)是控制流动与传热的关键参数。微生物对流能有效稳定纳米颗粒，而活化能(E)显著影响化学反应速率。该成果为设计生物医学微流体器件和工业冷却系统提供了理论指导，特别是在需要精确控制温度场和浓度场的应用中，如靶向药物输送和肿瘤热疗。

讨论部分强调，通过智能算法与传统数值方法的结合，本研究实现了对强非线性问题的精确求解。未来可进一步研究三相纳米流体在曲壁面流动中的热力学行为，或考虑非傅里叶热传导模型以更贴近真实生物组织传热特性。这些发展将推动个性化医疗设备和高效能源系统的进步。