热辐射与弹性变形协同作用下三杂化纳米流体中微生物运动的磁流体动力学模拟与传热优化研究

为解决工业过程中流体流动与传热效率优化问题，研究人员采用Cattaneo-Christov通量模型研究了含运动微生物的三杂化纳米流体(THNF)在热辐射和弹性变形作用下的MHD流动特性。通过Marangoni对流控制流动并考虑弹性变形效应，建立了非线性偏微分方程组并采用Bvp4c方法求解。研究发现提高热导率参数可增强三杂化纳米流体的热分布，而热松弛和弹性变形参数增加会降低温度分布。该研究为能源生成、生物技术和微流体设备冷却等领域的应用提供了理论依据。

　　

在能源工程和生物技术领域，优化流体流动和传热过程一直是研究者关注的重点问题。传统纳米流体在高温、强磁场等极端环境下的热传导性能往往受限，且现有模型难以准确描述非平衡态下的热质传递过程。特别是在微生物燃料电池、生物反应器等应用中，如何同时调控流体流动、热传导和微生物运动成为亟待解决的难题。

Northern Border University（沙特阿拉伯阿阿尔）Center for Scientific Research and Entrepreneurship的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了一项创新研究。他们采用水基三杂化纳米流体(THNF)，包含CoFe₂O₄、MnZnFeO₄和TiO₂三种纳米颗粒，通过Cattaneo-Christov通量模型(CCFM)研究了在热辐射和弹性变形共同作用下的磁流体动力学(MHD)流动特性。研究创新性地考虑了微生物运动对传热过程的影响，并引入Marangoni对流控制流动过程。

研究采用Bvp4c数值方法求解非线性偏微分方程组，建立了包含动量、能量、浓度和微生物输运的完整数学模型。通过表面张力梯度控制流体流动，分析了弹性变形参数对流动和传热特性的影响。研究特别关注了热松弛效应和非局部热传导过程，采用改进的热导率模型更准确地描述了纳米流体的热物理性质。

在"数学建模"部分，研究人员建立了包含连续方程、动量方程、能量方程、浓度方程和微生物输运方程的完整体系。动量方程中考虑了Lorentz力效应，能量方程引入了热辐射项和Cattaneo-Christov热通量模型，微生物输运方程则包含了生物对流效应。边界条件中特别处理了表面张力梯度与温度和浓度梯度的耦合关系。

"数值方法"部分详细介绍了如何将高阶非线性偏微分方程组转化为一阶系统，并采用打靶法结合Bvp4c算法进行求解。通过引入无量纲变量，将复杂的物理问题转化为可计算的数学问题，确保了数值解的稳定性和收敛性。

研究结果部分展示了多项重要发现：

1. Marangoni数(Ma)增加会显著提高速度分布，但会降低温度和浓度分布

2. 纳米颗粒体积分数(Φ)增加会增强传热效率，但会减弱流动速度

3. 弹性变形参数(δ)对热边界层和浓度边界层产生相反的影响

4. Peclet数(Pe)增加会导致微生物密度分布降低

在讨论部分，研究人员指出这项工作的创新性在于：

1. 首次在THNF中同时考虑弹性变形和微生物运动效应

2. 建立了更精确的非傅里叶传热模型

3. 为工业换热设备设计提供了理论指导

4. 在生物医学工程中具有潜在应用价值，如靶向药物输送

这项研究通过系统的理论分析和数值模拟，深入揭示了复杂条件下纳米流体的流动和传热机制，为相关工程应用提供了重要的理论基础。特别是在高温换热设备、微生物燃料电池等领域，研究结果可直接指导优化设计。未来工作可进一步考虑非牛顿流体特性和更复杂的边界条件，以拓展模型的适用性。