非稳态磁流体作用下四元杂化纳米流体在可伸缩圆柱表面的流动与传热特性及其抗冻应用研究

《Results in Engineering》：Comparative Analysis of Unsteady Magneto Flow of Tetra-Hybrid Nanofluid across Stretchable Cylinders Under the Impact of Different Nanoparticles Shape

本研究针对传统换热流体导热性差的问题，探讨了在非稳态条件下含TiO2、Cu、Al22O3和SiO2的四元杂化纳米流体（THNF）在可伸缩圆柱表面的磁流体流动与传热特性。通过Homotopy Analysis Method（HAM）求解，发现非稳态参数和电场增强流体速度，而孔隙率和磁场抑制流动。THNF显著提升传热效率，在抗冻和工业冷却领域具应用潜力。

　　

在能源、航空航天和工业机械等领域，高效的热管理技术一直是研究的重点。传统换热流体（HTFs）如水和乙二醇混合物，由于其固有的低热导率，在满足日益增长的散热需求方面面临巨大挑战。近年来，纳米流体（NFs）——即在基液中悬浮纳米颗粒的流体——因其卓越的热性能而受到广泛关注。从单纳米流体（NFs）到二元杂化纳米流体（HNFs），再到最新的四元杂化纳米流体（THNFs），研究人员不断探索通过多组分纳米颗粒的协同效应来进一步提升热导率和稳定性。特别是在极端环境如低温操作中，抗冻剂的应用显得尤为重要，而THNFs展现出了在这类应用中调节热性能的巨大潜力。

此外，在圆柱几何结构上的流动与传热研究具有重要的实际意义，因为圆柱形结构广泛存在于热交换器、核反应堆和石油精炼等工业装置中。结合磁场和电场的作用（即磁流体动力学MHD），可以主动控制流体的流动行为和传热特性，但相关的非稳态研究，尤其是针对THNFs的，仍然较为缺乏。因此，深入研究THNFs在非稳态条件下的磁流体流动，对于开发高效的热管理系统和抗冻技术具有重要的理论和应用价值。

在这项发表在《Results in Engineering》的研究中，来自Umm Al-Qura大学的研究团队开展了一项针对水基四元杂化纳米流体的非稳态磁流体流动与传热的全面分析。该研究考虑了多种物理因素的影响，包括热辐射、粘性耗散、欧姆加热、均匀热生成/吸收以及不同纳米颗粒形状（球形、圆柱形、片状和刀片状）的效应。通过应用Homotopy Analysis Method (HAM) 这一解析方法，研究人员成功求解了由偏微分方程（PDEs）转化而来的常微分方程（ODEs）系统，从而揭示了各参数对流动和传热特性的影响规律。

研究采用了基于相似性变换的数学模型，将控制方程转化为无量纲形式，并通过HAM在BVPh 2.0软件中进行求解。关键技术方法包括：利用相似变量将PDEs转换为ODEs；通过HAM处理非线性边界值问题；考虑了四种纳米颗粒（TiO₂, Cu, Al₂O₃, SiO₂）的不同形状因子；引入了磁参数（M）、电参数（E₁）、辐射参数（R_d）、Eckert数（Ec）、热源/汇参数（H_s）等无量纲参数；并分析了局部皮肤摩擦系数（C_{f_z}）和Nusselt数（Nu_z）等关键物理量。

4.1. 速度分布

研究通过图表展示了无量纲参数对速度分布f'(η)和动量边界层厚度（MBLT）的影响。图3显示，随着非稳态参数S的增加，流体速度显著增强，表明非稳态条件加强了流动，同时动量扩散率减小导致MBLT变薄。图4表明，孔隙率参数α的增加会抑制动量传输，流速降低，皮肤摩擦增加。图5显示，磁参数M的增加由于洛伦兹力的阻力作用而降低流速。这些效应在流体注入（λ=-1.0）时比抽吸（λ=1.0）时更为显著。

5.2. 温度分布

温度分布θ(η)和热边界层厚度（TBLT）受多种参数影响。图6中，非稳态参数S的增加导致近壁面温度降低，表明对流换热占主导。图7中，辐射参数R_d的影响较弱，温度略有增加。图8和图9显示，磁参数M的增加显著提升温度分布，因为磁场与导电流体相互作用产生焦耳热，将动能转化为内能。图10中，电场参数E₁的增加通过增强流体运动和对流换热而降低温度。热源（H_s>0）和热汇（H_s<0）分别提高和降低温度分布（图11和图12）。图13中，Biot数（Bi）的增加加强了表面换热，提高温度。图14显示，形状因子（m）的增加（非球形颗粒如片状和刀片状）由于更大的表面积而改善热传导，提升温度分布。

5.3. 表格讨论

表4比较了单纳米流体和四元杂化纳米流体的皮肤摩擦系数。THNFs由于更高的粘度和颗粒-流体相互作用，始终表现出更高的皮肤摩擦值。非稳态参数S、磁场M和孔隙参数α的增加均增强皮肤摩擦。表5显示，THNFs的Nusselt数显著高于单纳米流体，证实其卓越的传热能力。辐射参数R_d、非稳态参数S和纳米颗粒体积分数φ的增加均提升热传递效率。

研究结论表明，非稳态和电场参数增强流体速度，而孔隙率和磁场参数抑制流动。注入对速度场的影响比抽吸更显著，而抽吸对温度分布的影响更大。近壁面处，THNFs在非稳态参数增加时皮肤摩擦减小，但磁影响增加时皮肤摩擦增加。电场强度增加降低摩擦和磁效应。THNFs的热传递率随非稳态参数、Eckert数、Biot数和热辐射效应的增加而改善。总体而言，TiO₂-Cu-Al₂O₃-SiO₂/水基THNF在可伸缩圆柱结构的冷却系统和机械抗冻应用中展现出广阔前景。

该研究不仅提供了对THNFs在复杂条件下行为的深入理解，而且为工业热管理系统的优化设计提供了理论依据。通过解析方法的应用，研究确保了结果的准确性和可靠性，为未来在更广泛参数范围内的研究奠定了基础。此外，研究强调的纳米颗粒形状效应为材料选择提供了新思路，有望推动纳米流体技术在高效能源利用和环境保护领域的应用。