太阳能无人机应用中Maxwell三组分混合纳米流体流动的太阳辐射与Cattaneo-Christov热通量效应及熵分析研究

为解决太阳能无人机热管理系统效率提升问题，研究人员开展了Maxwell三组分混合纳米流体(EG/ZrO2-Al2O3-Fe3O4)在抛物槽式太阳能集热器(PTSC)中的流动与传热特性研究。通过同伦分析法(HAM)求解控制方程，发现三元混合纳米流体(TCHNFs)相比单组分(SCNFs)和双组分(DCHNFs)纳米流体最高可提升29.7%的热效率。该研究为太阳能无人机的热管理设计提供了重要理论依据。

　　

随着无人机技术在环境监测、灾害救援等领域的广泛应用，续航能力成为制约其发展的关键瓶颈。太阳能无人机因其清洁能源特性备受关注，但其能量转换效率受限于传统热管理系统的性能。在这一背景下，纳米流体技术因其卓越的传热特性成为突破这一瓶颈的重要研究方向。然而，现有研究多集中于单一或双组分纳米流体，对更复杂的三组分混合纳米流体体系研究不足，特别是在考虑非牛顿流体特性和复杂热传导机制的情况下。

国内某高校的研究团队在《Hybrid Advances》发表了一项创新性研究，系统探讨了Maxwell型三组分混合纳米流体(EG/ZrO₂-Al₂O₃-Fe₃O₄)在抛物槽式太阳能集热器(PTSC)中的流动与传热特性。研究采用同伦分析法(HAM)求解控制方程，重点分析了太阳辐射、Cattaneo-Christov热通量、多孔介质和速度滑移等因素对系统热力学性能的影响。

关键技术方法包括：1)建立包含磁参数(Ha)、Deborah数(De)和辐射参数(Rd)的数学模型；2)采用同伦分析法求解非线性控制方程；3)通过热物性参数对比评估三元混合纳米流体(TCHNFs)的性能优势；4)引入熵产分析评估系统不可逆损失。

2. 流动模型

研究建立了包含连续性方程、动量方程和能量方程的数学模型。其中动量方程考虑了Maxwell流体的松弛效应、多孔介质阻力和洛伦兹力，能量方程则整合了Cattaneo-Christov热通量模型和太阳辐射效应。通过Rosseland近似处理辐射传热项，显著提升了计算效率。

2.1. 问题陈述

针对传统纳米流体在PTSC应用中存在的热损失大、效率低等问题，研究提出将ZrO₂、Al₂O₃和Fe₃O₄三种纳米颗粒分散于乙二醇(EG)基液中，形成具有协同增强效应的三元混合纳米流体。

2.2. 研究目标

研究旨在揭示三元混合纳米流体在太阳能无人机应用中的热传导机制，重点分析：(1)纳米颗粒组合对热物性的影响；(2)非牛顿流体特性与热松弛效应的耦合作用；(3)系统熵产最小化策略。

2.3. Rosseland近似计算

采用Rosseland辐射近似将辐射传热项简化为温度梯度的函数，大幅降低了计算复杂度。该近似在处理高温差条件下的辐射传热时具有显著优势。

2.4. 转换方程

通过相似变换将偏微分控制方程转化为常微分方程，引入无量纲参数如磁参数(Ha)、辐射参数(Rd)和Deborah数(De)，使问题更易于数值求解。

3. 熵产分析

研究建立了包含热传导、流体摩擦和磁耗散等不可逆过程的熵产模型。结果显示，三元混合纳米流体相比传统流体可降低约18.6%的熵产，显著提升了能量利用效率。

4. 数值求解

采用同伦分析法(HAM)求解非线性方程，通过收敛性分析验证了方法的可靠性。引入辅助参数确保级数解在较大参数范围内收敛。

结论与意义

该研究证实了三元混合纳米流体在太阳能无人机热管理中的显著优势：(1)最高可使努塞尔数(Nu)提升29.7%；(2)有效降低系统熵产；(3)通过优化纳米颗粒配比可实现热导率与粘度的最佳平衡。研究结果为下一代高效太阳能无人机热管理系统的设计提供了重要理论指导，特别是在处理高辐照条件下的热流控制方面具有突出价值。此外，建立的Cattaneo-Christov热通量模型为非牛顿流体传热研究提供了新思路，可推广至其他可再生能源系统优化设计中。