基于响应面方法的三元纳米流体传热计算建模与敏感性分析及其在热管理系统中的应用

本研究针对电动汽车电池组和航空发动机等复杂冷却系统中的热管理问题，采用响应面方法(RSM)和方差分析(ANOVA)对三元纳米流体的传热特性进行优化。研究人员通过非相似变换和局部非相似方法将边界层方程转化为常微分方程，并利用bvp4c数值求解，发现哈特曼数(M)对表面摩擦和传热率影响最大，而埃克特数(Ec)和体积分数系数(φ)会增加熵产。该研究为优化热管理系统提供了重要理论依据，具有显著的工程应用价值。

　　

随着电动汽车和航空航天技术的快速发展，热管理系统的优化成为亟待解决的关键问题。传统冷却方法往往难以实现电池组内部的均匀温度分布，导致性能下降和寿命缩短。针对这一挑战，来自巴基斯坦伊斯兰堡COMSATS大学数学系的研究团队在《Journal of Computational Design and Engineering》发表了一项创新性研究，通过计算建模和敏感性分析探索了三元纳米流体的传热特性。

研究采用Al₂O₃、CuO和TiO₂三种纳米颗粒分散在水基流体中形成的三元纳米流体，利用响应面方法(RSM)和方差分析(ANOVA)对传热过程进行优化。通过非相似变换将边界层方程转化为无量纲偏微分方程，再采用局部非相似方法截断至二阶得到常微分方程组，最后使用MATLAB的bvp4c求解器进行数值求解。研究还计算了由焦耳热和粘性耗散引起的不可逆性，并进行了敏感性分析。

主要技术方法包括：1) 采用中心复合设计(CCD)进行实验设计；2) 使用非相似变换处理边界层方程；3) 应用bvp4c求解器进行数值计算；4) 通过响应面方法建立输入参数与输出响应的相关性；5) 利用方差分析评估模型准确性。

研究结果部分显示：

1. 速度分布：哈特曼数增加会降低流体速度，而体积分数增加会提高流体速度。滑移参数增大也会降低速度。
   

   
   
   
   

2. 温度分布：哈特曼数、体积分数和埃克特数的增加都会提高流体温度。毕渥数增大也会提高流体温度。
   

   

3. 熵和贝扬数：体积分数增加会提高熵产但降低贝扬数。埃克特数增加会提高熵产。
   

   

4. 敏感性分析：滑移参数对表面摩擦最敏感，毕渥数对传热率最敏感。模型拟合优度R²达到99.84%(表面摩擦)和99.97%(传热率)。

研究结论表明，哈特曼数是影响表面摩擦和传热率的最重要参数，而体积分数和埃克特数会增加熵产。该研究为优化热管理系统提供了重要理论依据，特别是在电动汽车电池冷却和航空航天发动机热管理方面具有重要应用价值。通过敏感性分析确定了关键参数的影响程度，为工程实践中的参数优化提供了明确指导。

这项研究的创新点在于首次采用非相似解法研究三元纳米流体在弯曲拉伸表面的流动，并结合统计方法进行敏感性分析。未来研究可扩展到三维情况，或应用无监督机器学习算法预测更优解。