基于Riga板的电磁旋转混合纳米流体热质输运机理研究：Hall与离子滑移效应的影响

《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》：Neuro-Fuzzy Computational Dynamics of Reactive Hybrid Nanofluid Flow Inside a Squarely Elevated Riga Tunnel with Ramped Thermo-Solutal Conditions under Strong Electromagnetic Rotation

本研究针对Riga板电磁驱动下旋转混合纳米流体的非定常热质输运问题，通过构建包含Hall电流、离子滑移、热辐射和化学反应效应的多物理场耦合模型，采用Laplace变换法求解获得了速度、温度和浓度分布的解析解。研究发现电磁参数（E）、旋转参数（K2）和纳米粒子浓度（φ1, φ2）对流动特性具有显著调控作用，为高温等离子体设备的热管理优化提供了理论依据。

　　

在能源工程和材料加工领域，高效的热管理技术一直是研究人员关注的焦点。特别是随着纳米技术的发展，纳米流体作为新型换热工质展现出巨大应用潜力。然而，在高温、强磁场等极端条件下，传统纳米流体的热输运机理尚不明确。Riga板作为一种特殊的电磁驱动装置，通过交替布置的永磁体和电极产生周期性的洛伦兹力，可有效增强流体混合和传热效率。但旋转效应、Hall电流和离子滑移等复杂物理现象的耦合作用，使得该类系统的流动与传热特性预测变得异常复杂。

为深入理解这些复杂相互作用，研究人员在《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》上发表了关于Riga板驱动下Cu-TiO₂/H₂O混合纳米流体非定常流动与传热传质的研究。该工作建立了包含Hall电流、离子滑移、热辐射和化学反应效应的完整数学模型，通过Laplace变换法获得了速度、温度和浓度分布的解析解，系统分析了各控制参数对流动特性和传热传质性能的影响规律。

本研究主要采用数学建模与解析求解相结合的技术路线。首先建立包含Maxwell方程、动量和能量守恒定律的偏微分方程组，通过引入适当的无量纲变量将控制方程标准化。随后运用Laplace变换法将偏微分方程组转化为常微分方程组进行求解，最后通过数值反演获得物理场的时空演化规律。研究还考虑了Rosseland辐射近似和线性Boussinesq假设来简化辐射传热和浮力效应。

速度场分布特性表明，电磁参数E的增大会显著增强主流方向速度u₁，而旋转参数K²的增加会导致横向速度v₁的增大。这是由于Riga板产生的指数衰减型电磁体积力与科氏力的竞争效应所致。特别值得注意的是，当Hall参数β_e和离子滑移参数β_i同时存在时，会在速度剖面中诱导出明显的振荡行为，这反映了电磁场与带电粒子运动之间的复杂相互作用。

温度场分析结果显示，热辐射参数Ra的增大有效促进了热量传递，使温度边界层厚度减小。同时，热源参数Qr的增加会提高整体温度水平，但过大的内热源会导致温度分布不均匀性加剧。研究还发现，Cu和TiO₂纳米粒子的协同作用使混合纳米流体的热导率显著高于单一纳米流体，证实了 hybrid nanofluid在强化传热方面的优势。

浓度场演变规律表明，Schmidt数Sc的增大（即质量扩散系数减小）会使浓度边界层变薄，而化学反应参数Kr的增加会加速组分的消耗速率。有趣的是，电磁旋转效应会诱导出复杂的二次流结构，这些涡旋可增强质量输运效率，特别是在高旋转速率条件下，科氏力驱动的横向流动成为质量传递的主导机制。

参数敏感性分析揭示了各无量纲数的耦合影响机制。Grashof数Gr和修正Grashof数Gc分别表征热浮力和溶质浮力的相对重要性，它们的增大会强化自然对流效应，但过大的浮力会引发流动不稳定性。磁参数σ的增大则会产生抑制流动的洛伦兹力，这与增强流动的电磁力形成竞争关系。特别需要指出的是，Hall参数β_e和离子滑移参数β_i的引入打破了传统磁流体动力学(MHD)的对称性约束，揭示了旋转电磁流体中独特的各向异性输运特性。

本研究通过严格的解析推导和系统的参数分析，完整揭示了Riga板驱动下混合纳米流体在电磁旋转场中的复杂输运机理。研究结果表明，通过合理调控电磁参数、旋转速率和纳米粒子浓度，可实现对流热质传递的主动控制。这些发现不仅深化了对多物理场耦合作用下纳米流体流动行为的理解，还为高性能热管理设备的设计优化提供了重要理论指导。特别是在核聚变装置冷却、空间推进系统等极端条件下的热控制领域，该研究具有重要的应用价值。