基于RSM的Williamson三元杂化纳米流体在薄针上浮力驱动滑移流动中的传热优化敏感性分析

本研究针对薄针表面Williamson三元杂化纳米流体(Al2O3/Cu/MnZnFe2O3-HNF)在浮力驱动下的传热优化问题，结合Cattaneo-Christov热通量模型(CCHFM)和Thompson-Troian滑移条件，采用响应面方法(RSM)进行敏感性分析。研究发现Richardson数(Ri)降低温度分布，Weissenberg数(We)增强弹性效应，三元杂化纳米颗粒显著提升传热效率(较单一纳米流体提升47.2%)，5%体积分数时努塞尔数(Nux)敏感性最高。该研究为微电子冷却和生物医学设备的热管理提供了新策略。

　　

在微电子冷却和生物医疗器械领域，薄针结构的传热效率优化一直是工程热物理研究的难点。传统牛顿流体在微尺度流动中表现出传热性能不足的问题，而纳米流体的非牛顿特性与复杂边界条件的耦合机制尚未明晰。特别是Williamson型纳米流体兼具剪切稀化和弹性特征，其浮力驱动流动中的热弛豫效应、滑移边界与多组分纳米颗粒的协同作用机制亟待深入研究。

中国某高校的研究团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表论文，通过数值模拟与响应面方法(RSM)相结合，系统研究了Al₂O₃/Cu/MnZnFe₂O₃三元杂化纳米流体在薄针表面的传热特性。研究采用Runge-Kutta四阶算法求解控制方程，结合中心复合设计(CCD)实验方案，分析了Weissenberg数(We)、Richardson数(Ri)、热弛豫参数(β_T)等7个关键参数的影响规律。

4.1 Richardson数影响机制
研究发现Ri数增加会强化浮力效应，使速度剖面提升12.7%，但温度分布降低9.3%。这是由于热浮力转化为动能的效率提高，导致流体微团迁移率增强，但同时加速了热量耗散。

4.2 Weissenberg数弹性效应
We数从0.2增至0.6时，速度降低23.1%，表明流体弹性抑制动量传输。值得注意的是，三元杂化纳米流体在We=0.4时出现传热极值，此时Nu_x较基础流体提升38.6%。

4.3 热辐射参数作用
热辐射参数Nr增加导致温度梯度减小，但三元杂化纳米流体的辐射吸收特性使其温度场均匀性比纯水提高41.2%，证实MnZnFe₂O₃颗粒的红外波段吸收优势。

5.1 RSM优化结果
通过17组CCD实验构建的二次回归模型显示，当φ₁=4.2%、φ₂=3.8%、φ₃=4.5%时，Nu_x达到峰值4.982，较单组分纳米流体提高52.3%。灵敏度分析表明Cu纳米颗粒对热导率提升贡献率达39.7%。

该研究首次揭示了Williamson型三元杂化纳米流体在滑移边界条件下的传热强化机制，建立的RSM模型预测误差<4.8%，为微针阵列散热器设计提供了理论依据。特别是提出的"纳米颗粒组分-热弛豫-辐射"多参数协同调控策略，为开发新一代微尺度热管理器件开辟了新途径。研究还发现当We>0.5时会出现速度剖面失稳现象，这为后续非牛顿流体稳定性研究指明了方向。