波壁驱动腔内含菱形障碍物的Casson流体热辐射效应热管理分析及其热线可视化研究

研究人员针对热管理系统中混合对流Casson流体的热辐射效应开展数值模拟，通过有限元法(FEM)分析了带菱形障碍物的波壁驱动腔体内流场与温度场分布。研究发现增大雷诺数(Re)可显著提升传热效率，理查德森数(Ri)决定对流主导模式，而热辐射参数(Rd)的增加会强化腔内温度传递。该研究为电子设备冷却、太阳能集热器等工程应用提供了优化设计依据。

　　

在能源工程和电子设备冷却领域，高效热管理始终是核心挑战。传统散热方案常面临对流效率不足、温度分布不均等问题，特别是非牛顿流体（如Casson模型描述的聚合物熔体、血液等）在复杂几何结构中的传热机理尚不明确。波壁结构和内置障碍物虽能增强扰动，但热辐射与混合对流的耦合效应缺乏系统研究，这直接制约着太阳能集热器、芯片散热器等设备的性能优化。

Taif University的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表论文，采用有限元法(FEM)对含双菱形障碍物的波壁驱动腔体进行三维数值模拟。通过引入热线(heatline)可视化技术，首次完整呈现了Casson流体在热辐射(Rd)与磁场(Ha)耦合作用下的能量传递路径。研究设定底部波壁加热，侧壁冷却，顶部绝热移动，建立包含连续方程、动量方程和能量方程的数学模型，采用Boussinesq近似处理浮力效应，Rosseland模型计算热辐射通量。

关键技术包括：1) 基于Galerkin加权残差的有限元离散方法；2) 引入惩罚参数γ的压力-速度耦合算法；3) 六种网格尺寸的独立性验证；4) 通过Nusselt数(Nu)和动能(K.E)量化传热效率。研究特别关注了雷诺数(Re: 250-500)、理查德森数(Ri: 0.1-10)和Casson参数(Ω: 1-10)的多参数影响。

4.1 雷诺数效应
当Re从250增至500时，流场从单涡旋发展为多涡旋结构，等温线呈现羽毛状分布。热线显示能量主要从左下角向右上角传递，Re=500时热通量提升37.8%，证实惯性力主导下的传热增强。

4.2 理查德森数效应
Ri<1时强制对流主导，障碍物右侧形成马蹄涡；Ri>1时浮力效应显著，热羽流垂直上升。等温线在Ri=10时呈现典型热分层，对应Nu值比Ri=0.1时降低42.3%。

4.3 热辐射效应
Rd从1增至5使腔内最高温度提升19.4%，热辐射显著促进能量向障碍物顶部聚集。值得注意的是，Rd>3时热线与流线出现解耦现象，表明辐射已超越对流成为主导传热机制。

4.4 Casson参数影响
水平中线速度剖面显示，Ω=10时的速度梯度比牛顿流体(Ω→∞)减小58%，证实屈服应力抑制流动分离。但垂直速度在障碍物间隙处反增21%，揭示局部剪切强化效应。

该研究创新性地将热线分析与参数化模拟结合，证明：1) 波壁与菱形障碍组合使Nu_avg最高提升至5.87；2) 当Re=500、Rd=5时传热效率较基准工况提高2.1倍；3) Casson流体在Ω=5时存在最优传热稳定性。这些发现为设计下一代紧凑型换热器提供了理论依据，尤其在处理非牛顿流体时，可通过调整波壁振幅(A)和障碍物间距(D)实现能效最大化。研究建立的FEM模型还能拓展到生物医学工程领域，例如模拟肿瘤热疗中的纳米流体灌注过程。