磁热效应与Cattaneo-Christov热质松弛对纳米流体边界层流动的协同影响研究

《Results in Chemistry》：Sensitivity analysis of Cattaneo–Christov heat and mass flux model effects in Stefan blowing flow of ferromagnetic nanofluid: Numerical simulations

本文针对纳米流体在拉伸表面上的流动与传热传质问题，研究了磁热效应与Cattaneo-Christov热质松弛模型的耦合作用。通过建立非傅里叶和非菲克定律的数学模型，分析了韦森伯格数、幂律指数、热弛豫时间等参数对速度、温度和浓度分布的影响。研究结果表明，磁热相互作用参数增强会抑制流动但提升温度场，而热质松弛效应显著改变了边界层结构。该工作为高温磁流体器件的热管理提供了理论依据。

　　

随着纳米技术在能源、生物医学等领域的广泛应用，纳米流体的流动与传热特性研究日益受到关注。特别是在磁流体器件、电子冷却系统等高温工作环境中，传统傅里叶导热定律和非牛顿流体的本构关系已不能准确描述实际物理过程。当前研究面临的关键挑战在于：如何建立能够同时考虑流体非牛顿特性、磁热耦合效应以及热质传递非平衡过程的数学模型？这一问题的解决对提高热能设备效率具有重要意义。

研究团队通过构建包含Cattaneo-Christov热通量模型的幂律纳米流体控制方程，引入了磁热相互作用参数Δ来描述铁磁流体在温度梯度作用下的特殊行为。采用相似变换将偏微分方程组转化为常微分方程组，运用四阶龙格-库塔法结合打靶法进行数值求解。通过参数敏感性分析，系统探究了韦森伯格数We、幂律指数n、热弛豫时间β_T等关键参数对流动与传热特性的影响规律。

在速度场分布方面，研究发现磁热相互作用参数Δ的增大会产生显著的流动抑制效应。当Δ从0.2增加至0.8时，边界层内速度峰值降低约23%，这是由于洛伦兹力对流体微团的阻滞作用增强所致。同时，韦森伯格数We的增加会强化流体的弹性效应，导致速度边界层增厚。特别值得注意的是，幂律指数n对速度剖面具有非线性调节作用：当n<1时流体呈现剪切稀化特性，边界层厚度显著增加；而n>1时则表现为剪切增稠行为。

温度场分析揭示了磁热效应的双重作用机制。一方面，磁热参数Δ的提升通过增强铁磁纳米粒子的定向排列，使温度边界层增厚约18%。另一方面，热弛豫时间β_T的增大延迟了热量传递过程，导致近壁面温度梯度增大。当β_T=0.4时，无量纲温度相较于傅里叶导热情况(β_T=0)降低约31%，这表明非傅里叶效应在瞬态传热过程中不可忽视。

浓度分布研究发现了布朗运动与热泳效应的竞争机制。布朗运动参数N_b的增大增强了纳米粒子的随机运动，使浓度边界层增厚；而热泳参数N_t的增加则促使粒子向低温区迁移，导致近壁面浓度升高。当N_t/N_b>1时，热泳效应占据主导，壁面处出现明显的浓度累积现象。此外，施密特数Sc的增大降低了质扩散率，使浓度边界层厚度减小约26%。

本研究通过引入Cattaneo-Christov理论框架，成功揭示了非傅里叶传热和非菲克传质在纳米流体边界层流动中的耦合作用机制。研究结果对磁流体能量转换装置的热设计具有重要指导意义，为开发新一代高效热管理系统提供了理论支撑。论文提出的数学模型能够更准确地预测高温条件下纳米流体的传热传质性能，为相关工业应用的优化设计提供了新思路。