双组分混合纳米流体层中内热源对穿透性对流的影响及其热稳定性机制研究

研究人员针对混合纳米流体层在底部加热和盐析条件下的热-溶质对流稳定性问题，通过线性稳定性分析和Galerkin方法，探究了内热源参数Ri、纳米粒子分布模式（顶部/底部/均匀）及双扩散效应对临界Rayleigh数Ra的影响。研究发现顶部重分布和内部加热可显著提升系统稳定性，而溶质梯度Rs会降低对流阈值。该研究为电子冷却、生物医学设备等热管理系统的优化设计提供了理论依据。

　　

在能源工程和生物医学领域，纳米流体因其卓越的传热性能成为研究热点。然而，混合纳米流体层在温度梯度和溶质梯度共同作用下的对流稳定性机制尚不明确，尤其当系统存在内部热源时，热-溶质耦合效应会如何影响穿透性对流的触发条件？这一问题对核废料处理、电子器件散热等应用场景至关重要。

中国某研究机构团队在《Results in Engineering》发表的研究中，通过建立包含两种纳米颗粒（?₁, ?₂）的复合流体模型，采用Oberbeck-Boussinesq近似和单项Galerkin方法，系统分析了内热源参数Ri（0≤Ri≤3）、溶质Rayleigh数Rs（0-10）及纳米粒子分布模式对系统稳定性的影响。研究创新性地引入修正扩散率比值N_A1/N_A2和Lewis数Le，揭示了多物理场耦合作用下的对流触发机制。

关键技术包括：1）构建非稳态控制方程组（1-6）并进行无量纲化处理；2）采用Chebyshev配置法求解特征值问题；3）通过线性稳定性理论确定临界Rayleigh数；4）对比分析普通纳米流体与复合纳米流体的稳定性差异。

研究结果
1. 双扩散效应的影响
当Rs=10时，临界Ra较纯热对流（Rs=0）降低42%，表明溶质梯度通过增强浮力效应显著促进对流。最小Ra对应的特征波数a稳定在π/2附近，说明溶质梯度不改变对流胞的最优空间尺度。

2. 内热源的稳定作用
Ri从0增至3时，顶部重分布系统的临界Ra提升65%，而底部重分布系统仅增加28%。这是由于内部加热在顶部区域形成反向温度梯度，抑制了浮力驱动的流动。

3. 纳米粒子配置的调控效应
当Ln₁=Ln₂=100时，均匀分布系统的Ra比单一纳米流体高19%。复合纳米颗粒通过协同效应（N_B1N_B2耦合项）增强了热扩散阻力，这一发现为纳米复合材料设计提供了新思路。

结论与意义
该研究首次量化了内热源在混合纳米流体穿透性对流中的双重作用：在顶部重分布时表现为稳定剂（Ra↑），在底部重分布时则加速对流（Ra↓）。通过建立包含Rn₁/Rn₂参数的稳定性判据（式45），为预测复合纳米流体系统的临界状态提供了普适模型。工程应用方面，研究建议在芯片散热设计中采用Cu-Al₂O₃/水基混合纳米流体并结合顶部纳米粒子富集策略，可在相同温差下将热稳定性提升40%以上。理论层面，工作弥补了Tzou模型和Buongiorno方程在多元纳米体系中的适用性空白，为后续研究磁流体-纳米颗粒耦合效应奠定了基础。