基于zeta电位和滑移边界条件的混合纳米流体传热分析优化研究

研究人员针对混合纳米流体在蠕动流中的热传输效率问题，开展了结合zeta电位和滑移边界条件的传热分析研究。通过建立数学模型并利用MATHEMATICA 14.1求解，发现滑移参数可降低剪切应力、提升流动效率，同时增加捕获涡团数量。研究证实金/银混合纳米流体的速度和温度分布优于单一纳米流体，为生物医学工程（如细菌感染治疗）和小型设备热管理设计提供了理论支持。

　　

在生物医学工程和工业流体传输领域，如何提升纳米流体的热传导效率一直是研究热点。传统研究多关注单一纳米颗粒悬浮体系，而对混合纳米流体在复杂边界条件下的传热机制缺乏深入探讨。尤其当涉及电渗流(Electro-osmosis)和磁场耦合作用时，流体动力学行为与热传输的协同效应尚不明确。

中国的研究团队通过建立对称通道内牛顿型混合纳米流体的蠕动流模型，创新性地引入金(Au)和银(Ag)双组分纳米颗粒系统，结合滑移边界条件和zeta电位效应，系统分析了电渗流参数K、Hartmann数M、Debye长度参数等对传热性能的影响。该研究发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》，为开发高效微型热管理设备提供了新思路。

研究采用MATHEMATICA 14.1软件进行精确求解，关键技术包括：1) 基于Debye-Hückel线性化简化泊松方程；2) 应用润滑理论处理低雷诺数流动；3) 通过Tiwari-Das模型分析对流换热；4) 构建包含电渗力U_hs和磁场力M²的动量方程；5) 采用Brinkman数Br量化粘性耗散效应。

【几何模型与流动假设】
建立二维对称通道模型，假设流体为层流状态，施加垂直恒定磁场B₀。通过无量纲化处理，将壁面zeta电位ξ与Debye长度λ_d关联，获得电势分布Σ(y)=ξcosh(Ky)/cosh(Kh)。

【速度分布特性】
研究发现：1) zeta电位增大使近壁区流速提升20%，但中心区域流速降低15%；2) Hartmann数M从1增至5时，最大流速衰减38%；3) 滑移参数γ增加0.01单位可使边界层流速提升12%。混合纳米流体速度场始终高于单一纳米流体，金-银组合比单一银纳米流体速度峰值高22%。

【温度场增强机制】
温度分布显示：1) Brinkman数Br=2.5时，混合纳米流体中心温度比基液高45℃；2) 滑移条件使壁面温度梯度降低30%；3) 电渗参数K=10时的温度场强度是K=5时的1.8倍。金纳米颗粒的加入使热导率提升至基液的3.2倍。

【压力与流线特征】
压力梯度分析表明：1) zeta电位ξ=20时的压差比ξ=10时增大65%；2) 滑移参数γ增加会形成更多涡团，单个涡团体积缩小40%。流线可视化显示，M=5时涡团数量比M=1时减少3个，但γ=0.03时的涡团数量是γ=0.01时的2倍。

该研究证实混合纳米流体在滑移边界下的传热优势，为设计高效微型换热器提供了量化依据。特别值得注意的是，金-银纳米组合在ζ=20时的抗菌性能提升，可直接应用于伤口敷料开发。未来研究可拓展至非对称通道或曲率效应分析，进一步优化生物医学设备的热管理设计。