Al2O3-Cu混合纳米流体在变角度后向台阶通道中的热流特性计算研究：提升传热效率的新策略

本研究针对后向台阶通道(BFS)因涡流导致传热效率低的问题，通过ANSYS Fluent模拟Al2O3-Cu混合纳米流体在70°-85°变角度台阶及Re=500-800条件下的热力学行为。结果表明：雷诺数(Re)每增加100，努塞尔数(Nu)平均提升18.5%；台阶角度增大至85°使Nu提高4.94%，同时导致压降与泵功需求上升。该研究为电子冷却系统等工程应用提供了优化传热与流体阻力的关键数据。

　　

在工程热物理领域，后向台阶通道(BFS)因其独特的流动分离和再附着特性，成为研究复杂流体行为与传热强化的经典模型。这类结构广泛存在于涡轮叶片、电子冷却装置等关键设备中，但其固有的涡流现象会显著降低传热效率。传统解决方案如增加流速或改变几何参数往往伴随能耗上升的代价，而纳米流体的出现为突破这一瓶颈提供了新思路。Al₂O₃-Cu等混合纳米流体凭借协同效应，其导热系数可达基液的数倍，但如何通过优化通道几何参数最大化其性能仍缺乏系统研究。

军事科学院的研究团队在《Heliyon》发表的计算研究表明，通过精确调控后向台阶角度与纳米粒子浓度，可显著提升BFS通道的传热效率。该研究采用有限体积法(FVM)对490μm微通道进行二维建模，结合ANSYS Fluent 2021 R2软件，分析了不同雷诺数(Re=500-800)、台阶角度(70°-85°)和体积分数(1%-4%)下Al₂O₃-Cu/水的热流特性。关键技术包括：基于Arnaly实验数据的模型验证（偏差<5.7%）、6万网格单元的敏感性测试、以及通过方程(8)-(18)计算Nu、压降和泵功等参数。

流动特性分析
流函数与速度云图显示：在固定85°台阶角时，Re从500增至800使再附着区长度扩大172%，涡流强度显著增强（图5-6）。而70°台阶在Re=800时呈现更平缓的速度梯度，证实较小角度可降低流动阻力（图7-8）。这种流动分离的差异性直接关联到传热效率的变化。

传热性能提升
努塞尔数(Nu)的量化分析揭示双重优化路径：Re提升至800使Nu平均增长18.5%，归因于边界层变薄和湍流增强（图9a）；而台阶角度从70°增至85°带来额外4.94%的Nu提升（图9b），这与更大角度产生的强烈二次流相关。值得注意的是，4%纳米粒子浓度使Nu达到峰值，印证了Al₂O₃-Cu（k=386 W/mK）的导热优势（图9g）。

工程代价评估
性能提升伴随流体阻力增加：85°台阶在Re=800时压降比70°高64.8%（图9d），泵功需求同比增加170%（图11a）。但皮肤摩擦系数(C_f)在较大角度下降低12.3%（图9f），表明可通过角度设计平衡传热与摩擦损耗。

该研究首次系统阐明了变角度BFS通道中混合纳米流体的"传热-流阻"耦合机制，为高功率电子设备冷却系统设计提供了关键理论支撑。通过选择85°台阶角、3-4%纳米粒子浓度及Re=700-800的参数组合，可实现传热强化与能耗控制的帕累托最优。未来研究可拓展至三维模型或添加扰流元件，以进一步挖掘混合纳米流体的工程应用潜力。