倾斜表面太阳能辐射效应对微极性纳米流体流动及Soret扩散的热特性影响研究

本研究针对倾斜拉伸表面上的微极性纳米流体流动与传热传质问题，创新性地引入太阳能辐射效应和Soret扩散机制，通过bvp4c数值方法求解非线性控制方程，系统分析了磁流体动力学(MHD)、热辐射(R)、布朗运动(Nb)和热泳效应(Nt)等多物理场耦合作用。研究发现Grashof数(Gr)、材料参数(K)和倾角(Ω)对流动传热具有显著调控作用，为太阳能集热器、航天器热防护等工程应用提供了理论依据。

　　

在能源危机与空间技术快速发展的背景下，高效传热工质的开发成为关键科学问题。传统牛顿流体在微尺度流动和极端工况下表现出明显局限性，而微极性流体因其独特的微旋转特性（包含局部惯性效应和耦合应力）在微型换热器、航天器热控系统中展现出巨大潜力。与此同时，纳米流体通过添加高导热纳米颗粒可显著提升基液传热性能，但现有研究多忽略微极性效应与纳米颗粒运动的耦合机制。更值得注意的是，倾斜表面在太阳能集热装置、飞行器表面等实际工程中普遍存在，其与重力场的夹角变化会显著改变浮力驱动对流模式，但相关研究仍存在空白。

针对这一系列科学问题，重庆大学的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了创新性研究。他们建立了包含太阳能辐射(R)、Soret扩散(Sr)和热源(Q)的微极性纳米流体数学模型，采用bvp4c算法求解高阶非线性微分方程组，首次系统揭示了倾斜角(Ω)与多物理场耦合作用的定量关系。

研究主要运用了相似性变换将偏微分控制方程转化为常微分方程组，通过MATLAB的bvp4c求解器进行数值求解。关键技术创新在于引入Rosseland辐射近似模型处理热辐射项，并采用Taylor展开简化温度的四次方项。研究设置了10^-6的收敛精度和0.001的步长，确保了计算结果的可靠性。

2. Mathematical formulations
通过引入流函数和相似性变换，将原始控制方程转化为无量纲形式。定义关键无量纲参数：磁参数(M)、Grashof数(Gr)、修正Grashof数(Gc)、微极性材料参数(K)、辐射参数(R)等。边界条件采用壁面无滑移、等温等浓度条件，远场采用衰减条件。

3. Numerical procedure
采用bvp4c算法将高阶方程降阶为一阶方程组求解。验证环节与Wang(1989)、Gorla&Sidawi(1994)、Khan&Pop(2010)的经典结果对比，在Pr=0.07-7范围内误差小于0.5%，证实了算法的准确性。

4. Verification of numerical code
通过对比经典案例验证代码可靠性。特别在Pr=0.07时与Wang(1989)的Nusselt数结果完全一致，在Pr=0.7和7时与Khan&Pop(2010)的吻合度达99.7%。

5. Results and discussions

• 磁参数M增大使速度降低14.3%，但使温度边界层增厚22%
• 材料参数K从0.1增至0.3导致角动量峰值提高8.2%
• 倾角Ω从π/4增至π/2使速度剖面最大差值达18.6%
• 辐射参数R提升使Nusselt数降低27%，但使壁面热流提高35%
• Soret数Sr增大0.2使浓度边界层增厚40%

6. Table discussions
详细列出了-θ'(0)、-φ'(0)等关键参数随各控制变量的变化规律。当Nb=0.1增至0.3时，Sherwood数提升62%，证实布朗运动对质量传递的增强效应。

这项研究首次建立了考虑倾斜角效应的微极性纳米流体多场耦合模型，创新性地量化了太阳能辐射与Soret扩散的协同作用。理论成果对设计新一代太阳能-热能转换装置具有重要指导价值，特别为航天器倾斜表面的热防护设计提供了量化依据。研究揭示的微旋转-纳米颗粒协同传热机制，为开发高性能微尺度换热器开辟了新思路。