碳纳米管杂化纳米流体在旋转多孔表面磁流体动力学浮力驱动对流中的传热优化研究

本研究针对碳纳米管(SWCNT/MWCNT)杂化纳米流体在旋转多孔表面的传热效率优化问题，通过建立磁流体动力学(MHD)混合对流模型，结合Gharesim动态粘度模型和Hamilton-Crosser热导率模型，揭示了滑移条件对流动阻力和温度分布的调控机制。采用Runge-Kutta数值方法和响应面法(RSM)优化设计，发现当SWCNT和MWCNT体积分数均为0.01时传热率最高达0.006330，为锂离子电池热管理系统提供了重要理论依据。

　　

在能源存储和热管理领域，如何提升纳米流体的传热效率一直是科学家们关注的焦点。碳纳米管(CNT)因其卓越的导热性能被视为理想材料，但传统单一纳米流体存在热稳定性差、能量转换效率低等问题。更棘手的是，在旋转机械系统和锂电池等实际应用中，磁场、多孔介质和浮力效应的耦合作用会显著改变流动特性，而现有研究对这类复杂环境下杂化纳米流体的传热机制认识不足。

为突破这一瓶颈，研究人员在《JCIS Open》发表了创新性研究。该工作首次系统考察了SWCNT-MWCNT/H₂O杂化纳米流体在旋转多孔表面上的磁流体动力学(MHD)混合对流行为。通过建立包含Joule热效应、热辐射和粘性耗散的数学模型，采用Runge-Kutta数值解法结合响应面法(RSM)的face-centered中心复合设计，揭示了纳米粒子形貌与界面层对传热性能的影响规律。

关键技术方法包括：1) 基于Gharesim模型和Hamilton-Crosser模型构建粘度与热导率方程；2) 相似变换将PDE转化为ODE系统；3) 采用四阶Runge-Kutta法结合打靶法求解；4) 应用RSM进行传热率敏感性和优化分析。

主要研究发现：

1. 流动特性分析
   滑移条件显著增加流动阻力，相较于无滑移工况，速度衰减幅度提升47%。旋转参数α增大会强化二次流，而磁参数M>0.5时会产生明显的速度边界层压缩效应。

2. 传热机制解析
   热源系数Q和辐射参数N的协同作用使纳米流体温度提升35%。最优传热率(0.006330)出现在SWCNT/MWCNT体积分数均为0.01时，而体积分数增至0.03时传热率下降至-0.002590。

3. 参数优化结果
   RSM分析表明，当Da数(达西数)=0.1、λ(混合对流参数)=0.15时，Nusselt数达到峰值。纳米管形状因子通过Hamilton-Crosser模型计算显示，棒状粒子比球形粒子热导率提升22%。

这项研究的重要意义在于：首次量化了旋转多孔系统中CNT杂化纳米流体的MHD-浮力耦合效应，建立的优化模型可直接应用于锂电池冷却系统设计。提出的"双低体积分数"(0.01 SWCNT+0.01 MWCNT)配方打破了传统高浓度添加的思维定式，为开发新一代高效热管理材料提供了理论指导。此外，RSM与CFD相结合的优化方法为复杂流体系统研究建立了新范式。

讨论部分指出，界面层动力学和纳米粒子取向对传热的调控机制仍需深入探索。未来工作可拓展到非牛顿基液体系，并考虑实际工程中的非均匀磁场影响。这些发现不仅推动了纳米流体力学的发展，也为可再生能源装备的散热设计开辟了新思路。