热活化能对微极性纳米流体在伸缩盘上热传递与质量传输的双重影响机制研究

本研究针对工程应用中微极性纳米流体在伸缩盘上的非稳态驻点流动问题，通过建立包含磁流体动力学、非线性辐射、活化能和热源/汇的数学模型，采用MATLAB bvp4c算法揭示了双解现象。研究发现微旋转因子(k)和抽吸参数(S)显著影响剪切应力和努塞尔数(Nur)，活化能(E)提升浓度分布，为核反应堆冷却、航空航天热管理提供了理论依据。

　　

在能源工程和生物医学领域，非牛顿流体在动态表面上的传热传质机制一直是研究热点。传统牛顿流体模型难以描述具有微观旋转特性的复杂流体行为，如血液、聚合物溶液等。随着纳米技术的发展，将纳米颗粒掺入基液形成的纳米流体展现出卓越的热物理性质，但其在伸缩表面上的非稳态流动特性，尤其在磁場(B(x))和热辐射(Rd)耦合作用下的传热机理尚不明确。这直接制约着核反应堆冷却、航天器热防护等关键技术领域的效率提升。

针对这一科学难题，国内研究人员在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了突破性研究。团队通过建立包含Arrhenius活化能(E)、非线性辐射和微旋转效应的数学模型，首次揭示了伸缩盘上微极性纳米流体的双解现象及其调控机制。

研究采用相似变换将偏微分方程转化为常微分方程组，运用MATLAB bvp4c算法进行数值求解。关键技术包括：1) 引入涡粘系数(k₁)描述微旋转效应；2) 通过Stefan-Boltzmann定律(σ*)处理非线性辐射；3) 采用活化能指数项exp(-E/k_a*T)表征化学反应动力学。研究特别关注了边界层分离临界点(χ_c)的确定方法。

【关键发现】

1. 双解现象范围：当收缩参数χ＞χ_c时存在双解，临界值随微旋转因子k增大而扩展（k=2时χ_c=-2.8042，k=3时升至-3.0895）。

2. 传热强化机制：

• 辐射参数Rd从0.2增至1.0使努塞尔数Re^-1/2Nu_r降低18.7%（稳定解）
• 毕渥数Bi=4时温度分布θ(η)较Bi=2提升32%，证实对流换热的关键作用

1. 质量传输特性：

• 活化能E=2.0使浓度分布φ(η)峰值升高41%，而化学反应参数λ=0.5导致下降29%
• Schmidt数Sc与浓度边界层厚度呈反比，Sc=1.5时φ(0)较Sc=0.5降低56%

1. 磁流体效应：磁场强度M=0.5使剪切应力Re^1/2C_f增加73%，同时将分离临界点χ_c从-2.65移至-2.97

【讨论与展望】
该研究通过严格的数学建模和数值分析，首次系统阐明了微旋转效应(k)、热辐射(Rd)与活化能(E)在多物理场耦合中的竞争机制。特别值得注意的是，当k=2.5时，微旋转颗粒使热传递率较传统纳米流体提升12-18%，这一发现为设计新型智能冷却系统提供了理论依据。研究建立的包含16σT³/3k的非线性辐射模型，成功解决了高温工况下Rosseland近似失效的问题。

未来研究可进一步探索：1) 微旋转参数k与纳米颗粒形状的协同效应；2) 三维收缩/膨胀曲面的流动稳定性分析；3) 基于机器学习算法的多参数优化设计。该成果不仅为航空航天热防护系统开发提供了新思路，在靶向药物输送等生物医学领域也具有重要应用前景。