磁驱动多孔介质梯形腔内纳米流体辐射传热的热线分析与混合对流研究

研究人员针对纳米流体在梯形腔体内的传热效率问题，开展了磁驱动多孔介质中Al2O3-水纳米流体的混合对流与热线可视化研究。通过有限差分法(FDM)模拟发现，Richardson数(Ri)提升25.69%可显著增强传热，而Hartmann数(Ha)增大会因洛伦兹力抑制流动导致传热下降35.55%。该研究为电子设备冷却系统设计提供了重要理论依据，论文发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》。

　　

在能源效率和电子设备微型化需求日益迫切的今天，热管理系统面临着前所未有的挑战。传统冷却技术已难以满足高功率电子器件、太阳能集热器等设备的散热需求，其中纳米流体在受限空间内的传热机理研究成为突破瓶颈的关键。尤其当涉及磁流体动力学(Magnetohydrodynamics, MHD)效应、多孔介质相互作用等复杂因素时，传热性能的精准预测与控制更显重要。

华北电力大学的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了一项开创性研究，通过构建梯形腔体内纳米流体的多物理场耦合模型，系统探究了磁驱动混合对流的热传输特性。研究采用有限差分法(Finite Difference Method, FDM)求解非线性控制方程，引入热线(heatline)可视化技术追踪热流路径，同时结合流函数-涡量公式处理流体运动，并创新性地将坐标变换应用于非规则几何边界处理。

关键技术包括：1) 基于Brinkman-Forchheimer扩展的 Darcy 模型表征多孔介质流动；2) Maxwell模型计算纳米流体有效导热系数；3) 采用Biconjugate gradient stabilized (BiCGStab)算法求解大规模离散方程组；4) 通过网格独立性验证确保计算结果可靠性（最终采用81×81网格）。

1. 问题定义与数学模型
研究构建了倾斜角δ=45°的梯形腔体模型，上下壁面分别以速度U₀和-U₀反向运动，左右斜壁维持温差(Th>Tc)。控制方程引入无量纲参数：Richardson数(Ri=Gr/Re²)、Hartmann数(Ha=B₀L√(σ/μ))、Darcy数(Da=K/L²)等，通过坐标变换将物理域映射为计算域。

2. 参数影响机制

• Richardson数效应：当Ri从0.01增至10时，浮升力主导作用使流函数|ψ_min|从0.0293升至0.0424，热传输率提升25.69%。高热线密度区向热壁聚集，形成明显的热羽流结构。
• 磁场调控：Ha=20时洛伦兹力使涡心向腔体中心收缩，|ψ_min|降低31.2%；Ha=60时等温线呈现平行分布特征，传热模式转为传导主导。
• 多孔介质特性：Da=0.001时的低渗透率使流线呈压缩形态，而Da=0.1时孔隙流动增强形成双涡结构，Nu_av提升达110.35%。

3. 纳米颗粒增强机理
Al₂O₃体积分数φ=0.06时，布朗运动加剧使热边界层减薄，相较基液导热系数提升15.8%。但过高的φ会引发颗粒团聚，反而导致Nu_av下降7.2%。

4. 倾角优化设计
δ=45°时热壁侧形成连贯的热边界层，而δ=135°时重力分量与热梯度反向导致分层流动，热传输效率降低19.3%。

这项研究通过多参数耦合分析，揭示了梯形腔体内"磁-热-流"协同调控规律。其建立的预测模型为设计新一代可变倾角散热器提供了理论工具，特别是在航天电子设备热控系统中，通过Ha数实时调节可实现"按需散热"。研究还发现纳米流体在多孔介质中存在最优浓度φ_opt=0.04，这一结论对燃料电池双极板冷却通道设计具有指导价值。未来工作可进一步考虑纳米颗粒形状各向异性和磁化率对热输运的影响。