磁流体动力学与非线性热辐射协同作用下拉伸表面熵产优化的双曲正切纳米流体传热传质数值研究

本研究针对工业热管理系统中非牛顿流体传热效率优化问题，通过数值模拟探究了含诱导磁场(IMF)的双曲正切纳米流体(THNF)在拉伸表面的传热传质特性。团队采用Runge-Kutta方法求解边界层方程，发现布朗运动参数(Nb )、热泳参数(Nt )和辐射参数(Nr )可显著提升传质速率，而滑移参数(N1 )与磁参数(Ma )能降低表面摩擦系数。研究为太阳能集热器、核反应堆冷却系统设计提供了理论依据，成果发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》。

　　

在能源与化工领域，非牛顿流体在热交换器、太阳能集热器等设备中的传热效率优化一直是关键科学问题。传统牛顿流体模型难以描述剪切稀化流体的复杂行为，而纳米颗粒的加入更使传热过程呈现非线性特征。特别是当系统涉及磁场作用时，诱导磁场(IMF)与热辐射的耦合效应会显著改变流动结构和熵产机制。现有研究多忽略熔融传热、速度滑移等边界条件对传热的影响，导致工程应用中热管理系统的设计缺乏精确理论指导。

针对这一科学瓶颈，国内研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了突破性成果。他们建立了包含IMF、非线性热辐射(NTR)和熔融传热的磁流体动力学(MHD)模型，采用Buongiorno纳米流体模型捕捉布朗运动与热泳效应，通过Runge-Kutta数值方法系统研究了双曲正切纳米流体(THNF)在拉伸表面的传热传质规律。研究创新性地引入Weissenberg数(W_i
)描述流体剪切稀化特性，结合熵产分析揭示了能量耗散机制。

关键技术包括：1）构建包含磁普朗特数(Pr_M
)的耦合偏微分方程组；2）采用相似变换将边界层方程转化为常微分方程；3）基于射击法的RK-4数值求解；4）引入Bejan数(Be)量化熵产组成。研究特别关注了熔融参数(M_e
)、辐射参数(N_r
)和扩散数(D)等多参数协同效应。

2. 控制方程构建
通过质量、动量、能量和磁感应方程建立理论框架，引入应力张量τ=μ_f
[(1-m)(?u/?y)+mβ/√2(?u/?y)³
]描述THNF流变特性。辐射热流采用Rosseland近似Q_r
=-16σT³
?T/3k?y，熵产分析包含热传导、粘性耗散和浓度扩散三部分贡献。

3. 无量纲化与求解
采用η=y√(a/ν_f
)进行相似变换，将控制方程转化为包含磁参数M_a
=μ_M
E_M0
²
/4πρa²
的无量纲形式。通过定义f'(η)=u/ax等变量，将原始PDE系统转化为10个一阶ODE方程组，采用自适应步长的RK-4方法求解。

4. 关键发现

• 速度场：Weissenberg数W_i
  增加5%使边界层厚度减少12%，而磁参数M_a
  =1.5时速度剖面较M_a
  =0.5下降18%
• 温度场：辐射参数N_r
  从0.1增至0.5时，努塞尔数Nu提升22%，但过高的N_r
  (>0.7)会导致热边界层增厚
• 熵产：当Brinkman数Br=0.3时，粘性耗散对熵产贡献占比达65%，而热传导仅占28%

5. 工程启示
研究证实THNF在M_a
=1.2~1.5区间具有最优传热性能，此时熵产率较牛顿流体降低34%。通过调控N_b
/N_t
比值可实现传质强化，当N_b
=0.4、N_t
=0.2时舍伍德数Sh达到峰值。该工作为设计新一代高效换热设备提供了理论框架，特别适用于聚光太阳能电站的熔盐换热系统优化。

研究创新性地将熔融传热与磁流体动力学耦合，发现当M_e

0.4时熔融效应会使Nu数降低15%，这一现象为相变材料在磁场环境下的应用提出新挑战。未来研究可拓展至三维非稳态流动，并结合机器学习优化多参数协同调控策略。