热辐射与Cattaneo-Christov热通量对SiO2-MoS2/水混合纳米流体Darcy-Forchheimer流动特性的协同增强机制研究

为解决高精度热管理系统中纳米流体传热效率不足的问题，研究人员通过数值模拟分析了SiO2-MoS2/水混合纳米流体在Darcy-Forchheimer多孔介质流动中的热辐射效应，采用Cattaneo-Christov非傅里叶热通量模型，发现混合纳米流体较单一纳米流体热导率提升显著，为电子冷却和太阳能集热器设计提供了新思路。

　　

在能源效率和热管理需求日益增长的背景下，传统冷却介质如纯水或乙二醇已难以满足高功率电子设备、太阳能集热系统和航空航天等领域的散热要求。纳米流体——即在基础流体中添加纳米颗粒的悬浮液——因其卓越的热物理性能成为研究热点。然而，单一纳米颗粒的局限性促使科学家探索混合纳米流体，通过不同纳米材料的协同效应进一步提升性能。与此同时，经典傅里叶热传导定律在高热流密度场景下的局限性，使得引入Cattaneo-Christov非傅里叶热通量模型成为必要。这项发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》的研究，正是针对这些关键问题展开的突破性探索。

研究团队采用MATLAB的BVP4C求解器结合打靶法，将控制非线性偏微分方程转化为常微分方程组进行数值求解。通过定义相似变换简化边界层方程，系统分析了磁参数、Darcy-Forchheimer数、热弛豫参数等关键变量对流动和传热的影响。研究特别关注了SiO₂和MoS₂两种纳米颗粒以不同体积分数(0.01-0.07)混合时的协同效应。

速度场分析

研究发现，磁场参数(M)从1.0增至2.0时，因洛伦兹力增强导致速度剖面下降达30%。Darcy-Forchheimer参数(Fr)增大引发多孔介质非线性阻力显著上升，当Fr=1.0时边界层速度较Fr=0.1时降低42%。值得注意的是，Grashof数(Gr)增大通过增强浮升力使速度提升，Gr=5时最大速度比Gr=1时提高1.8倍。

热传导特性

热辐射参数(Rd)从0.1增至1.2使温度分布提升25%，证实辐射传热在高温系统中的关键作用。热源参数(Q)增强显著提高流体温度，Q=1.0时的温升比Q*=0.1时高37%。特别重要的是，SiO₂-MoS₂混合纳米流体在Φ=0.07时的传热效率比单一SiO₂纳米流体(Φ=0.07)提升68%，这归因于MoS₂的层状结构增强了微观热对流。

质量传递与摩擦特性

Schmidt数(Sc)增大导致浓度边界层厚度减小，Sc=1.6时的浓度梯度比Sc=0.4时高2.3倍。混合纳米流体展现出优异的减摩性能，在Re=1000时摩擦系数比基础流体降低55%，这为机械系统能效提升提供了新方案。

这项研究通过系统的参数化分析证明，SiO₂-MoS₂/水混合纳米流体在热导率(提升达152W/mK)、传热系数(Nusselt数提高40%)和摩擦特性(剪切应力降低35%)方面均显著优于传统纳米流体。研究建立的包含热辐射和Cattaneo-Christov热记忆效应的综合模型，为高精度热管理系统设计提供了理论框架。特别值得关注的是，MoS₂的加入不仅改善热性能，其层状结构还赋予流体自润滑特性，这对同时需要散热和减摩的应用场景(如电动汽车电池冷却系统)具有双重价值。未来研究可进一步优化纳米颗粒配比，并探索在极端温度梯度下的长期稳定性，以推动该技术向工业化应用迈进。