三维磁流体动力学Casson纳米流体双Cattaneo-Christov扩散效应与多重滑移特性的数值研究

研究人员针对非牛顿流体在工业应用中传热传质效率低下的问题，开展了三维Casson纳米流体在指数拉伸薄板上的流动特性研究。通过引入Cattaneo-Christov双扩散模型，结合热辐射、磁场及多重滑移边界条件，采用MATLAB bvp4c求解器成功解析了14个关键参数对流动特性的影响。研究发现Casson参数增加会降低流速但提高温度梯度，而Prandtl数(Pr)升高能显著增强热扩散效率。该研究为优化高分子加工和能源系统热管理提供了理论依据，成果发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》。

　　

在能源系统和材料加工领域，非牛顿流体的传热传质优化一直是工程热物理研究的难点。传统牛顿流体模型难以描述具有屈服应力的复杂流体行为，而纳米颗粒的加入更使传热机制复杂化。特别是在塑料挤出、金属轧制等工业场景中，流体在拉伸表面形成的三维边界层流动，涉及磁流体动力学(MHD)效应、多物理场耦合等复杂现象。现有研究对Casson流体（一种具有屈服应力的非牛顿流体）在双Cattaneo-Christov扩散（同时考虑热和质量传递弛豫效应）条件下的三维流动特性认识不足，且缺乏对多重滑移边界条件的系统分析。

针对这一科学问题，国内某高校的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了创新性成果。他们建立了包含14个关键参数的理论模型，采用MATLAB bvp4c求解器进行数值解析，首次系统研究了三维Casson纳米流体在指数拉伸薄板上的流动特性。

研究主要运用了以下关键技术：1）相似性变换将偏微分方程(PDE)转化为常微分方程(ODE)系统；2）四阶Runge-Kutta算法的bvp4c求解器处理非线性边界值问题；3）双Cattaneo-Christov模型描述非傅里叶热传导和非菲克扩散；4）Rosseland辐射近似处理热辐射效应；5）Buongiorno纳米流体模型刻画布朗运动和热泳效应。

【数学模型构建】

通过引入无量纲相似变量，将三维边界层控制方程转化为非线性ODE系统。动量方程中引入Casson流体参数β，当β→∞时退化为牛顿流体。能量方程采用改进的Cattaneo-Christov热通量模型，突破傅里叶定律的无限传播速度假设。

【流动特性分析】

研究发现Casson参数β增大导致速度剖面下降，但温度梯度增大。当β从0.1增至1.0时，主速度f'(η)在边界层内下降18.7%，这与流体屈服应力增强抑制流动的物理机制一致。磁参数M从0.3增至1.0使速度降低22.4%，证实洛伦兹力对流动的抑制效应。

【热质传递规律】

Prandtl数(Pr)从0.71增至7.0使热边界层厚度缩减41.2%，而热辐射参数R从0.5增至2.0导致温度升高29.8%。有趣的是，布朗运动参数Nb与热泳参数Nt存在协同效应：当Nb=0.3、Nt=0.1时，温度比纯流体工况高15.3%。

【滑移效应】

速度滑移参数ζ增大显著改变近壁面流动结构。当ζ从0.5增至2.0时，壁面剪切应力下降37.5%，这与滑移条件减弱流体-壁面相互作用的机理吻合。浓度滑移参数λ则使壁面传质通量降低28.9%。

研究结论揭示了多物理场耦合下Casson纳米流体的复杂传输机制：1）屈服应力与磁场协同抑制流动；2）热辐射与纳米颗粒运动协同增强传热；3）滑移效应显著改变边界层结构。该成果为设计高效传热设备提供了新思路，特别是在需要精确控制温度梯度的聚合物加工领域。研究建立的数学模型可扩展应用于其他非牛顿流体系统，而采用的数值方法为处理强非线性问题提供了可靠工具。值得注意的是，双弛豫时间参数的引入使模型能更真实地模拟实际工业过程中的瞬态热质传递现象。