辐射达西-福希海默Homann旋转圆盘上三杂化纳米流体流动的收敛性与残差分析及热分层效应

《Discover Nano》：Convergence and residual analysis of radiative Darcy–Forchheimer Homann flow of tri-hybrid nanofluid over a spinning disk with thermal stratification

　　

本研究探讨了考虑第二定律分析的热辐射三杂化纳米材料朝向停滞旋转圆盘的粘性流动。多孔介质已通过达西-福希海默（Darcy-Forchheimer）模型加以识别。能量方程已通过热分层（thermal stratification）加以考虑。研究人员检验了适当的相似变换，以将本构方程组转化为常微分方程。研究人员通过半解析技术OHAM（Optimal Homotopy Analysis Method，最优同伦分析方法）对修正后的方程进行了求解。此外，通过OHAM获得了收敛性和残差误差。研究人员以发动机油（engine oil）作为基液，并掺入三种纳米材料（GO,Cu,TiO2），探讨了径向、轴向和切向速度、温度、熵产（entropy generation）及贝扬数（Bejan number）等流动变量的变化规律。研究结果表明，材料孔隙率越大，径向、轴向和切向速度所受到的阻力越大。在圆盘附近和周围流体中，热辐射（thermal radiation）在温度场中得到增强。布林克曼数（Brinkman number）和多孔介质反应性对熵的形成具有显著影响，并且随着由粘性力引起的不可逆特性变得更加普遍，贝扬数下降。三杂化纳米流体比普通纳米流体和杂化纳米流体具有更好的热特性。当前研究具有冷却特性、旋转机械和电动汽车等应用背景。研究人员将计算结果与先前的研究结果进行了比较，获得了极好的一致性。

论文解读：辐射达西-福希海默Homann旋转圆盘上三杂化纳米流体流动的收敛性与残差分析及热分层效应

一、研究背景与意义

随着现代工业热管理系统对高效传热工质需求的日益增长，传统单一纳米流体和二元杂化纳米流体在热物性提升方面逐渐显现出局限性。三杂化纳米流体（Tri-hybrid Nanofluids, THNFs）作为一种新型传热工质，通过在单一基液中分散三种不同类型的纳米颗粒，能够克服传统纳米流体仅依赖两种纳米颗粒协同效应的不足，展现出更优异的热导率、传热能力和对流效率，同时具备良好的流变学特性。当前研究领域面临的关键问题在于：旋转圆盘流动系统中的多孔介质效应、热辐射与热分层现象对三杂化纳米流体传热性能的综合影响机制尚不明确，且基于第二定律的熵产分析在Darcy-Forchheimer（达西-福希海默）流动模型下的应用有待深入探索。因此，开展针对GO-Cu-TiO₂/发动机油三杂化纳米流体在旋转圆盘上的流动与传热特性研究，对于优化旋转机械冷却系统、电动汽车热管理及先进能源系统设计具有重要的工程应用价值。

二、研究方法概述

研究人员采用Darcy-Forchheimer多孔介质模型描述流体通过多孔材料的流动行为，该模型在达西定律基础上引入二次惯性阻力项，能够更精确地描述中高速多孔介质中的流体输运。通过适当的相似变换，将控制偏微分方程组转化为常微分方程组，并采用最优同伦分析方法（Optimal Homotopy Analysis Method, OHAM）进行半解析求解。OHAM方法无需物理参数极小或极大，通过引入辅助因子显式控制级数解的收敛区域，能够对高度非线性方程获得收敛于真实物理行为的解。同时，研究人员对收敛性和残差误差进行了系统分析，并通过与已发表文献结果的对比验证了计算方法的准确性。

三、主要研究结果

3.1 速度场分析

研究结果表明，速度比参数（S）对径向、轴向和切向速度具有显著增强作用，这是因为旋转盘向周围流体传递的动量增加所致。当S>1时径向速度剖面得到增强，而S<1时则降低。多孔介质参数（λ）和惯性系数（Fr）的增加导致所有速度场分量下降，这是由于多孔基体和惯性摩擦对流体运动产生了额外阻力。三杂化纳米流体（GO-Cu-TiO₂/EO）在所有速度分量上均表现出最大值，其次为杂化纳米流体（GO-Cu/EO），单纳米流体（GO/EO）的速度最低，这归因于混合纳米颗粒增强了动量输运。

3.2 温度场分析

热辐射参数（Rd）的增大使流体获得更多辐射热，从而增厚了热边界层并提升了温度分布。相反，热分层参数（S_t）的增加导致流体温度下降，因为热分层减小了加热表面与周围流体之间的温差，从而削弱了表面传热。

3.3 熵产与贝扬数分析

布林克曼数（Br）和多孔介质参数（λ）的增大显著增强了熵产（N_s），这归因于粘性耗散和多孔介质摩擦引起的热力学不可逆性增强。随着布林克曼数和孔隙率参数的增加，贝扬数（Be）下降，表明流体摩擦不可逆性在总熵产中占据主导地位，超过了传热不可逆性的贡献。

3.4 纳米流体类型对比

通过等高线图可视化分析，三杂化纳米流体在旋转表面附近表现出更均匀的流动模式和更高的速度梯度，验证了多种纳米颗粒协同增强动量输运的效应。在所有流动和传热特性指标中，GO-Cu-TiO₂/EO三杂化纳米流体均优于GO-Cu/EO杂化纳米流体和GO/EO单纳米流体。

四、结论与展望

本研究系统分析了GO/EO、GO-Cu/EO和GO-Cu-TiO₂/EO三种纳米流体在嵌入Darcy-Forchheimer多孔基底的旋转拉伸圆盘上的粘性流动和传热特性。主要结论包括：速度比参数显著增强各方向速度分量；多孔介质和惯性摩擦降低所有速度场；热辐射增厚热边界层而热分层降低流体温度；布林克曼数和孔隙率参数增强熵产但降低贝扬数；三杂化纳米流体在所有性能指标上均优于单纳米和杂化纳米流体。研究结果与已发表文献高度一致，验证了当前数学模型和数值方法的精确性与可靠性。未来研究方向包括两圆盘间三杂化纳米流体的瞬态流动分析。该研究为设计更节能的热系统提供了坚实的理论基础。