多孔介质中同轴圆柱间MHD辐射性混合纳米流体流动的热分析及其传热优化研究

研究人员针对同轴圆柱间多孔介质中混合纳米流体(MHD)的传热性能优化问题，开展了磁流体动力学辐射流动的数值模拟研究。通过建立包含Cu-GO/煤油纳米流体的多物理场耦合模型，揭示了磁场强度(M)、达西数(Da)、辐射参数(Rd)等对流速和温度分布的影响规律。结果表明：增强磁场会抑制流体运动但提升温度，而增大Grashof数(Gr)可强化对流换热。该研究为旋转机械、核反应堆等高温设备的散热设计提供了理论依据。

　　

在能源系统和工业设备中，如何高效控制复杂工况下的传热过程一直是重大挑战。传统冷却介质如水和乙二醇已接近其传热极限，而新兴的混合纳米流体通过将多种纳米颗粒（如金属氧化物和碳材料）分散在基础流体中，可显著提升热导率。特别是当这类流体在旋转机械（如涡轮机、热交换器）的同轴圆柱间隙中流动时，耦合磁场、多孔介质和热辐射等多物理场效应，其传热机制变得极为复杂。目前对这类耦合条件下混合纳米流体流动和传热特性的认知仍存在空白，亟需建立精确的预测模型。

针对这一科学问题，来自多个机构的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了开创性研究。他们通过数值模拟揭示了多孔介质中同轴圆柱间磁流体动力学(MHD)辐射性混合纳米流体的流动与传热规律，为先进热管理系统的设计提供了重要理论支撑。

研究采用多步预测-校正法(NDSolve)求解圆柱坐标系下的控制方程，关键技术包括：1) 建立包含 Lorentz 力和 Darcy 阻力的动量方程；2) 采用 Rosseland 近似处理热辐射；3) 通过 Hamilton-Crosser 模型计算Cu-GO/煤油混合纳米流体的等效热物性；4) 使用Adams-Bashforth-Moulton算法实现高精度数值求解。

2. 问题陈述与数学建模
研究构建了三维稳态MHD流动模型，以内外半径分别为a、b的旋转同轴圆柱为几何基础。通过引入无量纲参数如磁参数M²=σ_fB₀²b²/μ_f和辐射参数Rd=4σT_b³/kκ_f，将控制方程简化为包含A₁-A₅五个混合纳米流体修正系数的耦合微分方程组。边界条件设定为内筒固定(v_θ=0)、外筒旋转(v_θ=bΩ)。

3. 求解方法
采用Mathematica的NDSolve工具包，结合Adams-Bashforth预测器和Adams-Moulton校正器，将高阶微分方程转化为一阶系统求解。特别处理了径向坐标r*∈[0.25,1]的奇异性问题，确保在近壁区获得稳定解。

4. 图形化讨论

• 图2显示增大M从2至5使最大流速降低37%，证实磁场对流动的抑制效应
• 图3表明Da数从0.125增至1.0时，流速提升2.1倍，反映多孔介质渗透性的关键作用
• 图5揭示纳米粒子体积分数φ₁+φ₂每增加0.02，温度场升高8-12K
• 图7展示Brinkman数Br=0.3→1.5导致近壁区温度梯度下降45%
• 图10量化显示Rd=0.5→1.5使Nusselt数Nu提升62%，而Q<0(热汇)工况下Nu额外增加28%

5. 结论与意义
该研究首次系统阐明了多物理场耦合下混合纳米流体的传热机理：1) 磁场通过Lorentz力抑制流动但增强焦耳热效应；2) GO纳米片的高纵横比显著提升径向热导；3) 辐射传热在高温区(Rd>1)贡献超过40%的总热流。这些发现为设计新一代核反应堆冷却系统、航天器热防护装置提供了关键理论指导，特别是揭示了通过调控φ_Cu/φ_GO比例可优化热-流协同性能的创新路径。

研究存在的局限性包括未考虑纳米粒子聚集效应和温度依赖物性，未来可结合分子动力学模拟完善模型。该团队建议后续研究拓展至三相纳米流体体系，并开展微重力环境下的实验验证，以推动太空热控技术的发展。