热辐射下Riga板上基于趋旋微生物的第四级混合纳米流体流动数值研究及其在热管理中的应用

推荐：研究人员针对第四级流体(FGF)在工业应用中的热传导效率问题，通过数值模拟研究了Al2O3-CeO2/WEG混合纳米流体在Riga板上的磁流体动力学(MHD)流动特性。结合热辐射、二阶化学反应和Arrhenius活化能等复杂条件，采用bvp4c算法求解模型，发现纳米颗粒浓度和热源参数可显著提升传热效率，误差率仅0.01909%，为工业热交换系统优化提供了新思路。

　　

在能源效率和材料科学领域，非牛顿流体的传热特性一直是研究热点。传统热交换系统面临传热效率低、能耗高等问题，特别是对于具有复杂流变特性的第四级流体(FGF)。这类流体在化工、航空航天等领域应用广泛，但其非线性粘弹性特性使得流动控制和热管理极具挑战性。与此同时，纳米流体技术的兴起为解决这一问题提供了新思路——通过在基液中分散纳米颗粒可显著提升传热性能，但纳米颗粒与复杂流体的协同作用机制尚不明确。

巴基斯坦白沙瓦大学数学系Sheikh Taimur Academic Block-II的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了一项创新研究。他们针对铝氧化物(Al₂O₃)和氧化铈(CeO₂)纳米颗粒构成的混合纳米流体，建立了包含热辐射、二阶化学反应和微生物运动的磁流体动力学(MHD)模型，通过数值模拟揭示了其在Riga板上的流动与传热规律。

研究采用的关键技术包括：1) 构建包含第四级流体本构方程的多物理场耦合模型；2) 应用相似变换将偏微分方程转化为常微分方程组；3) 使用MATLAB的bvp4c算法进行数值求解；4) 通过误差分析(0.01909%)验证模型准确性。研究特别关注了纳米颗粒浓度、热源参数和磁场强度等变量对系统性能的影响。

数学模型构建
通过应力张量分析建立了包含α₁-α₅参数的第四级流体本构方程，引入修正的Hartmann数M描述磁场效应，采用WEG(水-乙二醇)作为基液，其热物性参数通过混合规则计算。控制方程经相似变换得到无量纲形式，包含连续方程、动量方程、能量方程及微生物输运方程。

流动特性分析
数值结果表明：第三和第四级流体参数(α₃,α₄)增大会提升流速，而Hartmann数和逆达西数(Da^-1)则抑制流动。当M=1.0时，与文献数据的误差仅为0.01909%，验证了模型可靠性。交叉粘性系数α₂对速度剖面的影响呈现非线性特征。

传热性能研究
热分析显示：Al₂O₃-CeO₂纳米颗粒浓度增加能显著强化传热，当体积分数φ从1%增至4%时，努塞尔数Nu_x提升达23%。指数热源参数S与辐射参数Rd的协同效应使温度分布更均匀，Peclet数Pe对微生物分布的影响呈现双峰特征。

生物对流机制
微生物浓度分布受生物对流Lewis数Lb和Peclet数Pe共同调控。当Lb>5时，微生物在近壁区形成明显聚集，这与趋旋微生物的垂向运动特性相关。化学反应的活化能E_a对浓度边界层厚度的影响呈现Arrhenius型指数关系。

这项研究通过系统的参数分析，揭示了第四级混合纳米流体在电磁场作用下的复杂传输机制。其创新性在于：1) 建立了包含五参数的本构模型，更准确描述高阶流体行为；2) 量化了纳米颗粒-微生物协同增效作用；3) 为Riga板在微流体器件中的应用提供了设计依据。实际应用中，通过优化α₃/α₄参数组合和纳米颗粒配比，可使热交换系统效率提升15-20%，这对航天热控、电子设备冷却等领域具有重要工程价值。

研究也存在一定局限：未考虑纳米颗粒聚集效应，且假设微生物为均匀单分散体系。未来工作可引入布朗运动模型和微生物种群动力学，以更精确预测实际系统的热流性能。这些发现为开发新一代智能热管理材料提供了理论支撑。