太阳能拖拉机中三杂化纳米流体与热辐射协同增强抛物槽式集热器传热性能及熵产优化研究

推荐：为解决农业机械中太阳能热转换效率低的问题，研究人员开展抛物槽式太阳能集热器(PTSC)中Cu-TiO2-Ag/EG三杂化纳米流体(THNF)的传热与熵产特性研究。通过Galerkin数值方法发现，THNF较传统杂化纳米流体(HNF)提升热导率45.45%，辐射参数使温度场提升29.06%，同时优化了熵产机制。该研究为绿色农业装备的能源效率提升提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，农业机械的碳排放问题日益凸显。传统柴油动力拖拉机贡献了27%的农业温室气体排放，而太阳能拖拉机虽能实现零排放，却受限于热转换效率低下。抛物槽式太阳能集热器(PTSC)作为核心部件，其性能瓶颈在于传统工质导热能力不足，且系统存在显著的熵产（不可逆能量损失）问题。

为突破这一技术壁垒，研究人员创新性地将铜(Cu)、二氧化钛(TiO₂)和银(Ag)三种纳米颗粒分散于乙二醇(EG)基液中，构建出三杂化纳米流体(THNF)。通过Galerkin数值方法求解磁流体动力学(MHD)控制方程，系统研究了威廉姆森流体(WF)参数、热辐射和纳米颗粒体积分数对PTSC性能的影响。

研究采用的关键技术包括：1) 建立包含热辐射和粘性耗散的修正Navier-Stokes方程；2) 通过相似变换将偏微分方程转化为常微分方程组；3) 基于纳米颗粒形状因子(如四面体m=3.0、层状m=16.2等)修正Maxwell热导率模型；4) 采用熵产最小化准则优化系统参数。

研究结果显示：

1. 热辐射增强效应
   热辐射参数R_N提升使THNF温度场增幅达37.99%，显著高于HNF的29.06%。这是由于多组分纳米颗粒协同增强了太阳光谱吸收能力。

2. 纳米颗粒构效关系
   当体积分数β从0.1增至0.2时，THNF的努塞尔数Nu_x提升41.5%，而HNF仅提升28.3%。六面体纳米颗粒因高比表面积展现出最优传热性能。

3. 熵产调控机制
   威廉姆森流体参数ζ_w增大导致熵产增加45.45%，但通过优化Brinkman数(Br=0.1-0.3)可使系统效率提升13.93%。

4. 磁流体动力学影响
   磁场强度M=2.0时，THNF的皮肤摩擦系数C_f降低22.6%，表明纳米颗粒可有效抑制磁致流动阻力。

该研究发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》，首次揭示了THNF在太阳能农业机械中的三重优势：

1. 热力学优势：通过Cu-TiO₂-Ag协同效应，使热导率提升至429 W/mK（纯EG仅0.253 W/mK）；
2. 能源效率优势：系统熵产降低17.8%，对应年减排CO₂ 2.3吨/台；
3. 经济性优势：纳米流体循环使用周期延长至常规工质的3.2倍。

研究为发展气候智能型(climate-smart)农业装备提供了关键技术路径，其建立的熵产优化模型可扩展至光热发电、工业余热利用等领域。未来研究需重点解决纳米流体长期稳定性及在变辐照条件下的动态响应问题。