节能汽车热管理系统中的先进三混合纳米流体技术：修正傅里叶热通量模型下的非线性辐射效应

《Journal of Nanotechnology》：Energy-Efficient Automotive Thermal Systems Using AdvancedTri-Hybrid Nanofluid Technology: Nonlinear Radiative Effects With Modified Fourier Heat Flux Model

　　

专业术语翻译摘要 发动机油的应用通过有效散发发动机及部件热量、确保最佳工作温度，在汽车工业中显著提升了热性能。包括三混合纳米流体增强发动机油在内的先进配方，被采用以增强热性能、减少磨损并提高燃油效率。本研究的目的是利用三混合纳米流体改善发动机油的热效率。该三混合纳米流体采用二氧化钛（TiO2）、氧化铜（CuO）和二氧化硅（SiO2）纳米颗粒分散于发动机油基液中。基液特性以偶应力流体（couple stress fluid）表示。热问题受非线性辐射输运（nonlinear radiative transport）以及外部加热源影响。假设含抽吸特征的多孔拉伸表面为流动来源。传热问题受对流边界约束。采用修正的Cattaneo–Christov模型（modified Cattaneo–Christov model）建立控制方程。为数值求解，研究人员采用成熟的打靶法（shooting scheme）。通过对比分析，研究人员考察了单纳米流体（TiO2/发动机油）、混合纳米流体（CuO-TiO2/发动机油）和三混合纳米材料（TiO2-CuO-SiO2/发动机油）的热性能差异。研究结果为汽车工业中现代冷却系统的优化提供了创新见解，其中有效的热调控至关重要。此外，所提出的模型凸显了提升发动机效率并降低汽车系统能耗的潜力。

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一、研究背景与研究动机

在现代汽车工业中，发动机油在热管理系统中扮演着至关重要的角色，其核心功能是有效散发发动机及关键部件产生的热量，从而维持最佳工作温度并保障发动机运行效率。随着汽车动力系统向高功率密度方向发展，传统发动机油的热传导性能已逐渐成为制约散热效率的瓶颈。纳米流体（nanofluid）技术——即将纳米级颗粒分散于基液中所形成的胶体混合物——因其显著增强的热物理性能而受到广泛关注。然而，单一纳米颗粒悬浮液在热导率提升幅度上仍存在局限。

为进一步突破热性能上限，混合纳米流体（hybrid nanofluid, HNF）应运而生，其通过将两种或多种不同类型的纳米颗粒同时分散于基液中，实现了更优异的热导率、热稳定性及热反射特性。而三混合纳米流体（tri-hybrid nanofluid, THNF）作为最新一代纳米流体技术，将三种不同纳米颗粒协同分散于基液中，展现出较单纳米流体和混合纳米流体更为突出的热物理性能与流变学优势。

尽管已有大量研究关注单纳米、混合及三混合纳米材料的热效应，但现有文献仍存在若干关键研究空白：其一，多数研究采用传统Fourier热通量模型，该模型假设热传播速度为无限大，无法准确刻画现代汽车冷却系统中快速瞬态热输运过程；其二，多数研究仅考虑线性辐射或传统黏性模型，而对偶应力流变学（couple stress rheology）、非线性热辐射、对流边界条件、多孔介质及有限速度热传播等综合因素的耦合效应关注不足。基于上述局限，本研究提出一个数学模型，旨在分析偶应力三混合纳米流体（CuO-TiO₂-SiO₂/发动机油）在非线性辐射效应和Cattaneo–Christov热通量公式下的传热性能。

二、研究内容与结论概述

研究人员建立了二维不可压缩层流偶应力三混合纳米流体在弹性拉伸多孔表面上的流动与传热模型。流动由弹性表面拉伸驱动，表面速度满足u_w = u₀x。传热问题综合考虑了对流边界条件、非线性热辐射、外部热源以及修正Cattaneo–Christov热通量模型的有限热弛豫时间效应。通过引入无量纲变换，将控制偏微分方程组转化为常微分方程组，并采用打靶法（shooting scheme）结合四阶Runge–Kutta（RK4）积分器和Newton–Raphson迭代进行数值求解。研究系统比较了单纳米流体（TiO₂/发动机油）、混合纳米流体（CuO-TiO₂/发动机油）和三混合纳米流体（TiO₂-CuO-SiO₂/发动机油）三种体系的传热性能差异。

研究得出以下主要结论：偶应力流体参数和Hartmann数的增大导致速度剖面下降，而三混合纳米流体的速度衰减幅度相对较小；纳米颗粒体积分数和多孔参数的增加同样导致速度降低；Biot数的增大显著提升传热速率，且三混合纳米颗粒的效果最为突出；热弛豫参数（thermal relaxation parameter）的增大会抑制热传递，但三混合纳米颗粒能有效缓解热能的衰减；热源参数和辐射参数的增大均有利于提升发动机油的热性能。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要数值方法为打靶法（shooting scheme），该方法将边值问题转化为初值问题，通过先估计初始条件，利用Runge–Kutta（RK4）方法积分求解，并将计算结果与另一边界处的边界条件进行比对，若未满足则通过Newton–Raphson技术迭代修正初始猜测值。计算采用步长Δη = 0.02，收敛精度控制在10^?5。模型验证通过与Hayat等[33]的已有结果进行对比，在偶应力参数ω = β = 0且A₁ = A₂ = A₃ = 1的条件下，f^″(0)的计算结果与文献值高度一致，验证了数值方案的准确性。纳米流体的热物性关联式采用有效介质方法（effective medium approach），基于基液与纳米颗粒间热平衡及纳米颗粒均匀分布的假设建立。

四、研究结果

速度剖面分析（f′）：图1(a)显示，偶应力流体参数ω增大时，速度剖面呈递减趋势，且单纳米流体的速度衰减比三混合纳米流体更为明显。图1(b)表明，Hartmann数α增大导致速度下降，其物理机制与Lorentz力的作用相关，且TiO₂/发动机油体系的速度降幅更大。图1(c)显示，多孔参数β增大使速度减小，但三混合纳米流体TiO₂-CuO-SiO₂/发动机油的速度控制效应较弱，该行为与多孔层的渗透效应相关。图1(d)表明，抽吸参数S的增大导致速度降低。图1(e)显示，纳米颗粒体积分数（?₁, ?₂, ?₃）增大时速度剖面下降。

温度剖面分析（θ）：图2(a)表明，Biot数Bi增大时传热效果增强，其物理原因在于Biot数与传热系数直接相关，且三混合纳米颗粒悬浮体系的热效应增强最为显著。图2(b)显示，热弛豫参数δ增大导致传热减弱，但三混合纳米颗粒能有效抑制热传递的衰减。图2(c)表明，热生成参数λ增大时，额外的热源使温度剖面升高，TiO₂-CuO-SiO₂/发动机油体系的热强化效应更为突出。图2(d)显示，辐射参数Rd增大加速了热传递，尤其在三混合纳米流体中效果明显，辐射效应通过电磁波传输能量，对提升发动机油效率具有重要意义。图2(e)表明，表面加热参数θ_w增大时温度剖面升高。

壁面摩擦系数与Nusselt数分析：图3(a)显示，f^″(0)随ω增大而增大。图3(b)表明，f^″(0)随Hartmann数α增大而减小。图3(c)显示，Nusselt数随热弛豫参数δ增大而增大，其机制在于热弛豫延迟了流体内部的热扩散，抑制了表面附近的热能积累，使壁面热梯度增大，从而增强表面附近的传热效果。

五、结论总结与讨论

研究结论可归纳为以下几点：偶应力流体参数和Hartmann数导致速度剖面减小，而三混合纳米流体呈现速度增大的趋势；纳米颗粒体积分数和多孔参数的增大均使速度降低；Biot数增大增强传热速率，为提升发动机油热效率提供了潜在应用价值，且三混合纳米颗粒的效果更为突出；热弛豫数的增大会导致传热显著衰减，三混合纳米颗粒可缓解热能耗散，该机制对优化汽车冷却系统中的散热和发动机油性能至关重要；热源和辐射效应的引入增强了发动机油及汽车的热性能。

在模型局限性方面，该模型基于理想流动假设，与实验数据之间可能存在一定偏差。此外，尽管三混合纳米材料展现出优异的热特性，但其在实际润滑油应用前仍需解决若干工程挑战，包括长期分散稳定性、防止纳米颗粒在长期运行中团聚、与传统润滑油添加剂及发动机材料的相容性，以及最小化潜在磨损或沉降等问题。因此，后续研究需在真实发动机运行条件下开展实验验证，以考察三混合纳米材料的长期稳定性和耐久性。研究结果对传热管理、挤压工艺、热交换器及太阳能等领域的应用提供了有价值的参考，未来可通过熵产分析和滑移效应解释进一步更新模型，并建议引入机器学习算法以提升模型精度。