多孔介质中MgO/汽油油纳米流体的热质传输协同机制：化学反应与熔融现象的耦合效应

本研究针对多孔介质中纳米流体热质传输效率提升的工程难题，通过建立含MgO纳米颗粒的汽油油基流体模型，结合Darcy多孔介质、化学反应动力学及熔融边界条件，采用RK-shooting数值方法揭示了熔融温度与化学反应对传输特性的拮抗作用，为热管理系统优化提供了理论依据。

　　

在能源与化工领域，多孔介质中的高效热质传输一直是亟待突破的技术瓶颈。传统热管理系统面临传热效率低、能耗高等问题，尤其在发动机冷却、地热开发等场景中，亟需开发新型功能流体与优化传输机制。镁氧化物(MgO)因其优异的热导率成为纳米流体的理想添加剂，而汽油油的低粘度特性使其成为广泛应用的基液。然而，现有研究对多孔结构、化学反应与相变现象的协同作用缺乏系统认知，这正是本研究要解决的核心科学问题。

来自国内研究机构的Debasish Gorai和Ram Prakash Sharma团队在《Journal of Molecular Liquids》发表论文，创新性地构建了包含熔融边界条件的MgO/汽油油纳米流体传输模型。研究采用单相流假设，通过相似变换将控制方程转化为常微分方程组(ODEs)，运用MAPLE软件的RK-shooting算法进行数值求解，重点分析了多孔性参数(λ)、埃克特数(Ec)、化学反应系数(K)等关键参数对传输行为的影响。

Mathematical formulation
研究建立了二维稳态流动模型，考虑Darcy多孔介质阻力、熔融热效应及一级化学反应。通过引入无量纲变量，将质量、动量和能量守恒方程转化为包含纳米颗粒浓度(φ₁)、熔融参数(δ)等变量的耦合ODE系统，边界条件涵盖拉伸速度与浓度梯度。

Methodology
采用Runge-Kutta四阶方法结合射击法处理边值问题，将7个一阶ODE与对应边界条件迭代求解。数值稳定性通过网格独立性验证，默认参数设定为φ₁=0.05、λ=0.2、Ec=0.05等，计算域截断于η=5以近似无穷远条件。

Results and discussion
熔融参数δ增大使速度边界层增厚12.7%，但降低温度梯度达18.3%；化学反应系数K提升0.5导致浓度分布衰减率提高22%，与熔融热呈现拮抗效应。多孔性λ=0.4时传热速率提升9.2%，而纳米颗粒浓度φ₁增至0.1使努塞尔数(Nu)提高14.5%，证实MgO的强化传热特性。

Conclusion
研究首次阐明熔融热与化学反应的竞争机制：熔融过程加速流体运动但削弱温度梯度，而化学反应显著增强质传递。多孔介质孔隙率与纳米颗粒浓度呈协同增效，为设计新一代热交换器提供了关键参数优化窗口。该成果对航空航天热防护、电子器件冷却等工程领域具有重要指导价值。

创新意义
通过建立熔融-反应耦合模型，突破了传统纳米流体研究的单因素局限，提出的δ-K拮抗规律为复杂环境下的热管理设计提供了新范式。采用汽油油基液的研究策略，直接对接内燃机、润滑油等工业场景，凸显工程应用价值。数值方法上发展的改进RK-shooting算法，为强非线性传输问题求解提供了可靠工具。