在含有发热固体块的波纹方形腔室内，内部产热纳米流体的共轭磁流体动力学自由对流

《South African Journal of Chemical Engineering》：Conjugate magnetohydrodynamic free convection of internal heat-producing nanofluid in a corrugated square chamber containing a heat-producing solid block

热力学与流体力学｜磁流体自由对流｜波浪腔体｜内热生成纳米流体｜熵产率优化｜方形容器｜多参数耦合分析

　　在研究热流体对流现象时，科学家们通常关注热能传递效率以及流体运动特性。本文探讨的是在波浪形侧壁组成的正方形腔体中，含有热生成的乙二醇基铜纳米流体的磁流体动力学（MHD）自由对流现象。该系统中，一个铜基的热源固体块位于底部中央，作为热能的来源。研究中采用了数值模型，基于纳米流体区域的纳维-斯托克斯方程和热传递方程，以及固体区域的热传导方程，对这些方程进行求解时使用了伽辽金有限元方法。通过系统分析雷诺数（10^4 ≤ Ra ≤ 10^7）、哈特曼数（0 ≤ Ha ≤ 20）、纳米流体的内部热生成参数（0.10 ≤ Δ_nf ≤ 0.50）、无量纲波纹幅度（0.01 ≤ A ≤ 0.05）、波纹频率（2.5 ≤ f ≤ 4.5）以及固体块的几何形状对热行为和流体运动的影响。

研究中发现，当采用无磁场和较低的纳米流体内部热生成系数时，结合方形固体块与增加的波纹幅度及减少的波纹频率，能够实现热传递率的40%提升。这表明在某些特定条件下，波纹结构和固体块的形状能够有效增强热传递过程。此外，研究还探讨了多种形状的热生成固体块在磁场影响下的热对流行为，以及这些形状对热传递效率的影响。这种综合分析为研究MHD条件下热对流的耦合热传导、流动和不可逆性提供了新的视角。

从工程角度来看，热对流在多个领域都具有重要的应用价值。例如，在核反应堆中，磁场可以用来调节热传递过程，通过产生洛伦兹力来抑制流体运动，从而影响热传递效率。在太阳能收集器中，磁场可能被用来优化热能的分布。在电子冷却系统中，热对流可以有效散热，防止电子元件过热。此外，在化学工业和食品工业中，热对流也是实现热能传递的关键因素。因此，对这类系统进行深入研究，有助于开发更高效的热管理方案。

研究还分析了波纹结构对热传递和流动的影响。波纹幅度和频率的变化会显著改变垂直边界层的粗糙度，从而影响边界层的发展、流体扰动以及涡旋的形成。这些因素最终会影响局部和整体的热传递效率。同时，热生成固体块的形状也对热梯度的分布和流体流动路径产生影响，进而影响热传递效果。研究结果显示，当固体块为方形时，其热传递效率和系统热性能表现最佳，这可能是因为其结构能够更有效地增强对流和热传递。

从热力学角度来看，研究中还评估了系统的熵生成情况。熵生成是衡量热传递不可逆性的重要指标，它与热传递效率密切相关。研究发现，磁场和内部热生成都会对系统的熵生成产生影响，但某些情况下，通过减少磁场强度和内部热生成，可以实现更高效的热传递和更低的熵生成。此外，研究还通过生态性能系数（ECOP）评估了系统的热性能，该系数综合考虑了热传递效率和熵生成水平，为热系统的设计和优化提供了参考。

综上所述，本研究的创新点在于系统地分析了在MHD条件下，热生成固体块与热生成纳米流体在波纹形正方形腔体中的热传递和流动特性。研究结果为相关工程领域提供了重要的理论支持和实践指导，特别是在热管理系统的优化方面。通过调整雷诺数、哈特曼数、波纹幅度和频率，以及固体块的几何形状，可以实现更高效的热传递过程，从而提升系统的整体性能。这些发现对于实际工程应用具有重要的参考价值，有助于开发更加节能和高效的热管理方案。