磁热辐射滑移边界下Casson纳米流体沿非线性拉伸表面的流动与传热传质特性研究

《Results in Engineering》：Modelling of Hydromagnetic Boundary Layer Flow on Slip-Influenced Casson Nanofluid Flow over a Surface with Thermal Diffusion and Heat Generation

本研究针对非线性拉伸表面上的Casson纳米流体，在磁热辐射滑移边界条件下，通过Keller-Box方法数值分析了其流动、传热与传质特性。研究揭示了磁场参数（M）、Casson参数（β）、滑移系数（λ）及非均匀内热源（A、B）对速度、温度和浓度分布的显著影响，为电子冷却、太阳能集热器等工程系统中的热管理优化提供了理论依据。

　　

随着微电子技术、新能源系统和生物医学设备的快速发展，高效的热管理成为制约技术进步的瓶颈问题。传统换热工质如水和乙二醇等，由于其导热性能较差，已难以满足高功率密度设备的散热需求。纳米流体——将纳米尺度颗粒（如金属、金属氧化物或碳材料）分散于基液中所形成的悬浮液，因其显著增强的热物理性质而受到广泛关注。特别是在太阳能集热器、电子芯片冷却和化工过程强化等领域，纳米流体的应用潜力巨大。然而，实际流动过程中往往涉及非牛顿流体行为、复杂边界条件以及多场耦合效应，这些因素使得纳米流体的流动与传热特性变得极为复杂。Casson流体模型能够很好地描述具有屈服应力的流体（如血液、巧克力、油漆等）的流变行为，其在生物医学和工业过程中的应用日益重要。当Casson纳米流体沿拉伸表面流动时，表面可能呈现线性或非线性拉伸规律，并受到外部磁场、热辐射、滑移边界以及非均匀内热源/汇的综合影响。理解这些复杂条件下流体的动量、热量和质量传递规律，对于优化相关设备性能具有重要理论价值和工程意义。

尽管已有研究对牛顿型纳米流体的相关特性进行了探讨，但对Casson纳米流体在磁热辐射滑移边界下沿非线性拉伸表面的流动与传热传质耦合行为的系统分析仍较缺乏。特别是在考虑空间和时间依赖的内热源（A^*f' + B^*θ）、粘性耗散（Ec）、Soret和Dufour效应、布朗运动（Nb）及热泳效应（Nt）的情况下，流动与传热特性如何变化，尚需深入研究。为了解决这些问题，研究人员在《Results in Engineering》上发表了题为“Impact of non-uniform heat source/sink on MHD Casson nanofluid flow over a nonlinear stretching surface with thermal radiation and slip conditions”的论文，通过数值模拟详细分析了各关键参数对流动、温度和浓度场的影响规律。

本研究主要采用了Keller-Box方法这一高效的有限差分法来求解经过相似变换得到的高度非线性耦合常微分方程组。该方法因其稳定性好、精度高而被广泛应用于求解边界层流动问题。

研究成果显示：

1. 磁场（M）的影响

增强磁场强度（M = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0）会产生阻碍流体运动的洛伦兹力，导致速度边界层减薄，流速降低。然而，磁场的焦耳热效应和流动阻力的增加促进了热能生成，使得温度边界层和浓度边界层均增厚，即传热和传质速率在此条件下得到增强。线性拉伸表面（n=1）相较于非线性拉伸表面（n=2），其流动与传热特性对磁场的变化更为敏感。

2. 动量滑移（λ）的影响

增大壁面滑移系数（λ = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）意味着流体在固体边界上的粘附作用减弱。这减少了壁面摩擦阻力，导致近壁面流速降低，动量边界层变薄。同时，减弱的剪切作用使得流体携带能量的能力下降，反而使得温度边界层和浓度边界层增厚，表明滑移条件在一定程度上抑制了壁面附近的传热传质。

3. Casson流体参数（β）的影响

Casson参数β的增大（β = 0.0, 0.1, 0.3, 0.5）对应于流体屈服应力的减小，流体更接近牛顿流体行为。研究表明，β增大导致流速降低，这是因为屈服应力减小削弱了流体抵抗变形的能力。然而，流动阻力的变化以及粘性耗散效应的共同作用，使得流体温度升高，热边界层增厚，纳米颗粒的浓度分布也随之发生变化。

4. 非均匀内热源（A, B）的影响

空间依赖（A）和时间依赖（B）的内热源项对温度场有显著影响。增大A或B值，相当于在流场内增加了热量生成，直接导致流体温度普遍升高，热边界层明显增厚。这表明在存在内热源的系统中，如电子元件发热，其对流体温度场的塑造作用非常关键。

5. 布朗运动（Nb）与热泳效应（Nt）的影响

布朗运动（Nb增大）增强了纳米颗粒的随机运动及其与流体分子间的碰撞，将动能转化为热能，起到了内部热源的作用，从而提升了流体温度。但强烈的布朗运动也促进了颗粒的扩散，使得颗粒浓度分布更加均匀，近壁面浓度相对降低。热泳效应（Nt增大）则驱使纳米颗粒从高温区向低温区迁移。在加热壁面情况下，颗粒会离开壁面，导致近壁面颗粒浓度降低，而主体区域浓度升高。同时，颗粒的迁移也会影响局部的热传导特性。

6. 路易斯数（Le）与粘性耗散（Ec）的影响

路易斯数（Le）增大表示质量扩散速率远小于热扩散速率。因此，温度边界层的发展远快于浓度边界层，传质过程受到抑制。粘性耗散（Ec）效应反映了流体内部摩擦生热的影响。Ec值增大，意味着更多的机械能转化为内能，显著提高了流体温度，对高温高速流动系统尤为重要。

7. 流线可视化

流线图直观展示了不同参数下的流动结构。随着Casson参数β增大，流线分布趋于均匀。而磁场参数M增大时，可以观察到在靠近壁面区域出现颗粒聚集现象，随后再向下游扩散，清晰体现了磁场对纳米颗粒的导向和捕获作用。

研究结论与讨论

本研究通过系统的数值分析，揭示了磁热辐射滑移边界条件下Casson纳米流体沿非线性拉伸表面的复杂流动与传热传质机制。主要结论如下：外部磁场虽然抑制了流体动量交换，但通过焦耳热效应强化了传热传质；壁面滑移条件通过减少摩擦阻力改变了边界层结构，对热质传递产生双重影响；Casson流体的非牛顿特性（屈服应力）显著调节了流速和温度分布；内部热源（A, B）、布朗运动（Nb）和热泳效应（Nt）是调控纳米流体温度场和浓度场的关键内在因素；路易斯数（Le）和粘性耗散（Ec）则分别从宏观扩散能力和能量转换角度影响热质传递效率。

该研究的重要意义在于为涉及非牛顿纳米流体的先进热管理系统的设计提供了详细的理论依据和参数影响规律。例如，在微电子冷却中，可通过调控磁场强度来平衡流动阻力与散热效果；在太阳能集热器中，利用热泳效应可防止纳米颗粒在透明盖板上的沉积污垢；在材料加工如聚合物拉伸中，考虑滑移边界和内部热生成能更精确控制产品质量。研究所采用的Keller-Box方法也证明了其在求解此类强非线性耦合问题中的有效性和可靠性。未来工作可进一步考虑化学反应、多相流或更复杂的边界条件，以拓展模型的适用场景。