三维倾斜楔形体上Borger流体中带电粒子的有限元方法研究：多纳米尺度五元杂化纳米流体的热磁传输特性

本研究针对热管理技术中冷却效率提升的挑战，采用有限元方法分析了三维Riga楔形体上Borger流体中五元杂化纳米流体（MnZnFe2O4/CoFe2O4/Al2O3/甲醇）的传输特性。研究揭示了Hall电流、离子滑移、热泳和布朗运动对热质传递的协同影响，并证实五元纳米流体热效率优于传统纳米体系，为太阳能设备、电子冷却和生物医学流动提供了创新解决方案。

　　

在能源系统和热管理技术领域，高效冷却和热传递增强始终是工程应用的核心挑战。随着电子设备功率密度不断提升、太阳能转换系统效率优化需求日益迫切，以及生物医学设备中对精确温控的严格要求，传统流体已难以满足高性能散热需求。纳米流体通过添加纳米颗粒提升基液热物性，成为突破热传输瓶颈的关键技术。近年来，多元杂化纳米流体通过协同多种纳米材料的特性，展现出超越单一或二元纳米流体的热传递潜力。然而，复杂流变行为、外场耦合效应及多物理场交互机制尚未得到系统研究，特别是在非牛顿流体中结合电磁效应的三维流动问题仍待深入探索。

针对这一需求，研究人员在《Results in Engineering》发表了针对Borger流体中五元杂化纳米流体在三维倾斜楔形体上的传输特性研究。该工作首次综合分析了磁偶极子、Hall电流、离子滑移、热辐射、布朗运动、热泳效应和活化能等多参数耦合作用，采用有限元方法数值求解了多场耦合非线性偏微分方程组，揭示了复杂流动中的动量和能量传递规律。

研究团队通过有限元方法（FEM）离散化控制方程，结合网格独立性验证和收敛性分析，确保了数值解的可靠性。关键参数包括Borger流体参数（β₁, β₂）、磁参数（M）、Hall参数（β_et_e）、离子滑移参数（β_et_i）、Eckert数（Ec）、布朗运动参数（Nb）、热泳参数（Nt）和活化能（E）。纳米颗粒选用锰锌铁氧体（MnZnFe₂O₄）、钴铁氧体（CoFe₂O₄）和氧化铝（Al₂O₃）分散于甲醇基液中，通过Hamilton模型计算等效热物性。边界条件纳入速度滑移和热质对流效应，并通过无量纲化将偏微分方程组转化为常微分方程组求解。

2. Mathematical section

研究建立了三维Borger流体在部分电离条件下的控制方程，涵盖连续性、动量（x和y方向）、能量和物种传递方程。动量方程中引入了磁偶极子产生的Lorentz力、Hall电流和离子滑移效应；能量方程考虑了Joule加热、热辐射、布朗运动和热泳的影响；物种方程引入了活化能相关的化学反应项。通过相似变换将偏微分方程组简化为常微分方程组，并结合滑移边界条件求解。

4. Results and discussion

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  磁场强度（M）的影响：增大M会增强Lorentz力，抑制x和y方向的流速，因电磁阻力增加导致动量边界层减薄。
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  Borger流体参数（β₁）的作用：β₁提高增强了溶剂分数，降低内摩擦，从而提升流速。
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  Hall参数（β_et_e）与离子滑移（β_et_i）的对比：β_et_e增大加剧电磁阻力使流速下降，而β_et_i增大通过减少离子碰撞阻力促进流动。
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  温度场响应：Eckert数（Ec）提高加剧粘性耗散，使温度上升；Nt和Nb通过增强纳米颗粒迁移提升热传递；但β_et_e和β_et_i因削弱Joule热效应降低温度。
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  浓度场特性：活化能（E）提高减缓化学反应速率，使浓度升高；Schmidt数（Sc）增大抑制质量扩散，浓度边界层变薄；Nb增强布朗运动但降低物种传输效率。
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  五元杂化纳米流体的优越性：与四元、三元和混合纳米流体相比，五元体系（MnZnFe₂O₄/CoFe₂O₄/Al₂O₃）表现出最高热效率，因多组分协同效应增强了热导率和稳定性。
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  形状效应：层状纳米颗粒比球形、柱状、四面体和六面体形状具有更高的Nusselt数，因各向异性结构促进热路径优化。
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  工程参数输出：Skin摩擦系数随M和β增大而上升，因壁面动量梯度增强；Nusselt数在Ec和M提高时因热耗散和磁抑制效应下降。

5. Conclusions

本研究通过有限元分析证实，五元杂化纳米流体在Borger基液中具有显著的热传递优势。Hall电流和离子滑移参数可有效调节流动阻力，而活化能和布朗运动是控制物种传递的关键。研究为太阳能面板冷却、电子设备热管理和生物医学流体系统提供了理论设计依据。未来可拓展至瞬态流动、熵生成分析和多稳定性研究，以进一步提升工程适用性。

该工作的创新性在于首次整合了Borger流体模型、五元纳米颗粒、电磁多场耦合和三维楔形体几何，填补了复杂纳米流体在多物理场环境中传输机制的研究空白。