基于ANOVA-Taguchi方法的微通道内辐射性含尘三杂化纳米流体表面阻力优化及形状因子影响研究

本研究针对微通道内含尘三杂化纳米流体的辐射流动问题，采用ANOVA-Taguchi统计方法优化表面阻力。研究人员通过有限差分法计算发现，纳米颗粒浓度(R)和颗粒质量参数(G)会降低流体速度，而辐射参数(Rd)和温度松弛时间参数(L0)显著影响热分布。研究为微流体器件热管理提供了重要优化策略，特别适用于核反应堆系统和建筑热流控制等工程应用。

　　

在微流体器件和能源系统领域，如何有效控制含尘纳米流体的流动特性一直是个关键难题。特别是在核反应堆冷却、建筑热管理等领域，含有固体颗粒（如灰尘、烟灰或灰烬）的流体流动会显著影响系统性能。传统方法难以精确调控这类复杂流体的表面阻力，而纳米颗粒的形状因子对热传导的影响机制也尚不明确。

针对这些问题，印度班加罗尔总统大学工程学院数学系的研究人员开展了一项创新研究，通过ANOVA-Taguchi统计方法优化微通道内辐射性含尘三杂化纳米流体的表面阻力。相关成果发表在《Journal of Psychosomatic Research》上。

研究人员主要采用有限差分法进行数值计算，结合Taguchi正交实验设计和ANOVA方差分析。研究建立了包含CoFe₂O₄、NiZnFe₂O₄和MnZnFe₂O₄三种纳米颗粒的三杂化甲醇基流体模型，考察了不同形状因子(n)的影响。

1. 数学建模

   研究建立了微通道内不可压缩流体的控制方程，考虑了辐射热通量(q_r)和温度松弛时间(γ_T)。通过引入无量纲参数，将控制方程简化为包含流体相和颗粒相的耦合方程组。特别关注了纳米颗粒形状因子对热导率的影响，采用Hamilton-Crosser模型计算等效热导率。

2. 数值方法

   采用Maple软件的pdsolve命令求解偏微分方程组，使用中心隐式有限差分格式，收敛容差设为10^-6。通过L27正交阵列设计Taguchi实验，考察了五个关键参数在不同水平下对表面摩擦系数(C_f)的影响。

3. 结果与讨论

   研究发现：

   • 流速随颗粒浓度参数(R)和颗粒质量参数(G)增加而降低，但随压力梯度参数(A)增大而升高

   • 热分布随温度松弛时间参数(L₀)增加而增强，但随含尘流体参数(R_D)增大而减弱

   • 片状纳米颗粒产生最高温度，球形颗粒温度最低

   • 纳米流体相比杂化流体和含尘相具有更高的速度和温度

4. 优化技术

   Taguchi分析表明，在纳米颗粒体积分数(φ)第一水平，压力梯度参数(A)、辐射参数(Rd)、颗粒质量参数(G)和温度松弛时间参数(L₀)第三水平时，可获得最小表面摩擦系数。ANOVA显示辐射参数(Rd)对C_f影响最大(73%)，其次是φ(26%)。

5. 结论

   这项研究为微通道内含尘三杂化纳米流体的流动控制提供了重要见解。通过ANOVA-Taguchi方法确定了最优参数组合，显著降低了表面阻力。研究发现辐射参数和纳米颗粒体积分数是影响表面摩擦的最关键因素，而颗粒形状对热分布有显著影响。这些发现对核反应堆冷却系统、建筑热管理和微电子器件散热等工程应用具有重要指导意义。特别是为含尘环境下的微流体系统设计提供了理论依据和优化方法。