Cu-TiO2/H2O混合纳米流体在非线性拉伸斜面上的Darcy-Forchheimer流动及形状效应研究

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Darcy-Forchheimer dynamics of Cu-TiO 2/H 2O hybrid nanofluid flow over a nonlinearly stretching sheet with shape effect

本文创新性地研究了三维磁流体（MHD）作用下Cu-TiO2/H2O混合纳米流体（HNF）在非线性拉伸斜面上的Darcy-Forchheimer流动，首次将纳米颗粒形状因子（sf）、洛伦兹力（M）、非线性拉伸（m）和倾斜几何（α1）等多参数耦合效应纳入分析。研究发现叶片状纳米颗粒可使努塞尔数（Nu）较球形颗粒提升7.6%，为生物医学热控设备（如肿瘤热疗）和电子冷却系统设计提供了新思路。

　　

Highlight

本研究首次揭示了三维磁流体（MHD）作用下Cu-TiO₂/H₂O混合纳米流体（HNF）在非线性拉伸斜面上的流动特性，通过耦合Darcy-Forchheimer模型、纳米颗粒形状因子（s_f=3.0）和倾斜角（α₁=π/4）等多参数，为高效热管理系统设计提供了突破性方案。

Method of solution

采用Runge-Kutta-Fehlberg数值方法结合打靶法求解控制方程，引入相似变换：

η=√(a/ν)(x+y)^(m-1)/2z，θ(η)=(T-T_∞)/(T_f-T_∞)。该方法在误差控制精度达10^-6时仍保持优异计算效率。

Validation of numerical results

通过与Khan等学者在Pr=1、M=Gr=0条件下的数据对比（表1），验证了当前模型在牛顿流体特例中的准确性，最大相对误差<0.2%。

Results and discussion

关键发现：

1. 1.

   混合纳米流体速度场较单相流体提升23%，叶片状颗粒使Nu提升7.6%（vs球形）

2. 2.

   磁参数M增大导致表面摩擦阻力系数（C_f）升高，但Grashof数（Gr）可抵消该效应

3. 3.

   倾斜角α₁通过热浮力分量调控边界层分离点

Conclusions

该研究为肿瘤热疗中Pt-TiO₂纳米颗粒的优化分布、电子器件冷却系统设计提供了理论依据，特别揭示叶片状纳米材料在生物医学热控（如精准热消融）和太阳能集热器中的巨大应用潜力。