鳍片辅助NEPCM填充腔体在热辐射与周期性磁场作用下的磁流体动力学与辐射对流研究：对能源存储与冷却的启示

为解决传统相变材料(PCMs)导热性差导致的传热效率低下问题，研究人员通过有限元方法(FEM)研究了鳍片辅助NEPCM填充腔体在周期性磁场和热辐射耦合作用下的传热传质特性。研究发现提高Rayleigh数(Ra)可增强对流换热，Hartmann数(Ha)增至100时平均Nusselt数(Nuavg)和Sherwood数(Shavg)分别降低39%和46%，Lewis数(Le)增至10使Nuavg降低54%而Shavg提升96%。该研究为优化能源存储和电子冷却系统提供了重要理论依据。

　　

在能源危机和电子设备微型化的双重挑战下，热管理技术正面临前所未有的压力。传统相变材料(PCMs)虽然具有高潜热特性，但普遍存在导热系数低、传热速率慢等瓶颈问题。这直接导致太阳能存储系统效率低下、电子设备过热损坏等现实困境。为突破这一技术壁垒，德国多特蒙德工业大学（Technische Universit?t Dortmund）应用数学研究所的研究团队创新性地将纳米封装相变材料(NEPCMs)与磁流体动力学(MHD)技术相结合，在《Journal of Energy Chemistry》发表了具有里程碑意义的研究成果。

研究人员采用Galerkin有限元法(FEM)构建了包含非十九烷核心-聚氨酯壳结构NEPCMs的二维数值模型。通过网格收敛性分析和实验数据验证确保计算精度后，系统探究了Rayleigh数(Ra)、Hartmann数(Ha)、Lewis数(Le)等16个关键参数对传热传质的影响。研究特别设计了水平鳍片间距(SB)从0.1L到0.9L的对比组，并引入周期性磁场B=A〈B₀sin(πy/λ),0,0〉来调控流动特性。

鳍片间距与Rayleigh数的协同效应

当Ra从10⁴增至10⁶时，等温线从平行分布转变为羽流结构，表明热传导向对流的转变。特别发现SB=0.9时Nu_avg较SB=0.1提升74%，而Sh_avg仅增加14%，揭示鳍片间距对热质传递的非对称影响。

磁场强度的抑制作用

Ha从0增至100导致Nu_avg和Sh_avg在N=10时分别下降39%和46%，Lorentz力显著抑制了涡流发展。流函数图谱显示高强度磁场下流体运动被限制在边界层区域。

Lewis数的差异化调控

Le增至10使Nu_avg降低54%而Sh_avg提升96%，表明质量扩散对热传递的"双刃剑"效应。浓度场显示高Le下出现陡峭的溶质边界层，而温度场分布更均匀。

其他参数的定量影响

辐射参数Rd增至3使Nu_avg提升152%，而Stefan数Ste增至0.9则降低22%。周期性磁场波长λ=0.5时出现传热峰值，体现磁场调制的"共振效应"。

该研究首次建立了NEPCMs在复合场作用下的多物理场耦合模型，证实通过优化鳍片布局(推荐SB=0.7-0.9)和磁场参数(λ≈0.5)可实现热质传递的协同强化。特别是发现相变区间δ=0.05时Cr(热容比)出现脉冲式波动，这为开发"智能热缓冲材料"提供了新思路。研究提出的A²B₀²sin²(πy/λ)磁场构型已应用于新型太阳能集热器设计，实测换热效率提升40%。这些发现不仅推动了相变材料的基础研究，更为下一代热管理系统的工程优化提供了精确的理论指导。