微极性铁磁流体在通风腔室内双静止圆柱上的磁流体动力学强制对流流动与传热优化研究

本研究针对工程和工业应用中流体流动与磁场影响热性能的关键问题，探讨了微极性铁磁流体(Fe3 O4 -水)在通风腔室内双圆柱配置下的MHD强制对流特性。通过有限元法求解控制方程，揭示了雷诺数(1≤Re≤103 )、哈特曼数(1≤Ha≤31.623)和材料参数(0≤K≤2)对努塞尔数(Nu)和性能评价准则(PEC)的影响。研究发现圆柱水平位置为腔室长度的3/4时热传递最优，为磁流体冷却技术提供了重要理论支撑。

　　

在能源效率和热管理需求日益增长的背景下，工程系统面临如何优化磁流体(MHD)流动与热传递的挑战。传统牛顿流体在磁场作用下的行为研究已较成熟，但微极性流体(micropolar fluid)因其独特的微旋转特性，在微型机电系统(MEMS)和生物医学设备中展现出特殊价值。然而，微极性铁磁流体(micropolar ferrofluid)在复杂几何结构中的MHD强制对流机制尚不明确，特别是通风腔室内多圆柱配置的热力性能缺乏系统研究。

针对这一科学问题，研究人员开展了Fe₃
O₄
-水基微极性铁磁流体在矩形通风腔室内的MHD强制对流研究。通过构建包含双静止圆柱的物理模型，采用有限元法系统分析了流动特性与热传递规律。研究发现最优圆柱水平位置为腔室长度的3/4时，性能评价准则(PEC)达到峰值1.36。该成果为设计高效磁流体冷却系统提供了理论依据，论文发表在《South African Journal of Chemical Engineering》。

研究采用COMSOL Multiphysics 6.3软件进行有限元模拟，通过网格独立性验证确定最优网格数(32,742单元)。控制方程包括连续方程、动量方程、角动量守恒方程和能量方程，边界条件设定为底部等热流加热、右壁等温冷却。性能参数通过努塞尔数(Nu)、平均温度(Θ_av
)、压力系数(P_c
)和PEC进行量化评价。

4.1 雷诺数与哈特曼数影响
当Re从1增至10³
时，流动从层流发展为涡旋脱落状态，Nu提升3倍但Ha>10时磁场抑制效应显著。特别发现Ha对Nu的影响在Re<100时可忽略，这与传统MHD流动特性存在差异。

4.2 圆柱排列方式优化
比较无圆柱、X_c
=0.25/0.5/0.75三种配置显示，X_c
=0.75时PEC最高(1.36)，比中心位置(X_c
=0.5)提升16.9%。该配置延迟了涡旋形成但增强了下游热混合。

4.3 材料参数效应
微极性参数K=2时流动稳定性增强但Nu降低13.9%，证实微旋转效应在Re>100时才显著影响热传递。K=0(牛顿流体)与K=2的PEC差值达5.9%，揭示材料参数对系统效率的调控作用。

4.4 最优条件确定
综合参数分析表明，在Re=10³
、Ha=31.623、X_c
=0.75、K=0时获得最佳热性能(Nu=30.82)。该条件下磁场增强效应与几何配置产生协同作用，使PEC较无磁场工况提升5.9%。

这项研究首次系统阐明了微极性铁磁流体在复杂几何中的MHD对流机制，创新性地提出圆柱最优位置应为腔室长度的3/4。发现低Re数下(Re<100)微极性效应可忽略，为微型磁流体器件的简化建模提供了依据。通过量化Ha和K对PEC的影响规律，为工业冷却系统设计建立了参数选择标准。特别是证实磁场在抑制流动的同时可提升热效率，这一反直觉现象对开发新型磁控热管理设备具有重要指导价值。未来研究可进一步探索非均匀磁场和动态圆柱配置的耦合效应。