电渗与纤毛协同驱动下非线性热辐射效应对MgO-MoS2杂化纳米流体传热强化的多物理场耦合研究

研究人员针对微流体器件中传统传热效率低、多场耦合机制不明确的问题，开展了电渗-纤毛协同驱动下杂化纳米流体（HNFs）的传热强化研究。通过建立包含非线性热辐射、焦耳热和热滑移边界条件的多物理场耦合模型，采用有限元法（FEM）数值求解，发现热滑移参数增加21.6%可提升壁面温度，电渗速度参数使轴向流速增强33.2%。该研究为生物医学微流控器件和高效冷却系统设计提供了理论依据。

　　

在微流控技术和生物医学工程领域，如何高效调控微尺度流体传输与传热始终是核心挑战。传统单一场驱动（如压力或电渗）存在能量利用率低、温度控制精度不足等问题，而生物启发的纤毛运动与人工电渗场的协同机制尚不明确。尤其当引入高导热纳米流体时，非线性热辐射、界面滑移等复杂效应会显著改变系统行为，但现有模型多忽略这些因素的耦合作用。针对这一空白，国内研究人员在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了突破性研究，通过多物理场建模揭示了电渗-纤毛协同驱动下杂化纳米流体的传输强化机制。

研究团队采用有限元法（FEM）求解耦合的Navier-Stokes方程和非线性Poisson-Boltzmann方程，结合实验验证的纳米流体参数（MgO-MoS₂/水基）。关键技术包括：1）长波长近似下的润滑理论简化流动域；2）保留双电层（EDL）非线性效应的电势分布计算；3）引入热滑移边界和辐射-传导耦合能量方程；4）基于实验数据的纳米颗粒热物性建模。

研究结果
1. 数学建模
建立包含电渗体积力、纤毛波运动和纳米颗粒布朗运动的控制方程，发现纤毛长度参数ε₁从0.1增至0.7时，最大流速提升40%，证实生物运动可有效克服纳米流体高粘度的流动阻力。

2. 电渗-纤毛协同效应
Debye长度参数k增大使EDL增厚，电渗主导区流速提高25%；而波数δ增加通过压缩纤毛波动波长，产生更强的剪切力耦合，使整体流量提升18%。

3. 非线性热辐射影响
热滑移参数β从1.0增至5.0时，壁面温度梯度降低但传热效率提升9.1%，表明界面热阻减小；辐射参数R_d通过增强红外波段能量传递，使纳米流体温度场均匀性提高32%。

4. 杂化纳米颗粒优势
对比单一纳米流体，MgO-MoS₂杂化体系在?=3%时导热系数提升85%，且MoS₂的层状结构抑制了颗粒团聚，使粘度仅增加22%，优于传统Al₂O₃纳米流体。

结论与意义
该研究首次量化了电渗-纤毛-热辐射三场耦合对杂化纳米流体传输的协同强化效应，突破性地发现：1）纤毛几何参数（ε₁,δ）可通过调控涡旋结构优化能量传递路径；2）非线性热辐射在高温区（>350K）贡献40%的总传热量；3）MgO-MoS₂杂化体系兼具高导热和低流阻特性。这些结论为设计新一代生物相容性微泵、靶向给药系统和芯片实验室（Lab-on-a-chip）提供了关键理论支撑，尤其对需要精确温控的器官芯片（Organ-on-a-chip）和癌症热疗技术具有重要指导价值。