粘性耗散三元混合纳米流体驻点流动的表面张力梯度效应热特性分析

《Discover Nano》：Thermal scrutinization of stagnation point flow of viscous dissipative ternary hybrid nanomaterial with surface tension gradient effects

　　

本研究提出的模型在需要纳米粒子沉积和强化传热的高级热与质量传输系统中具有潜在应用价值，其应用领域包括工业冷却与加热系统、聚合物与材料加工、化学反应器、太阳能热装置、电子冷却及储能系统。热泳粒子沉积、活化能、表面张力梯度、粘性耗散及热源的耦合作用，为高温工程过程中热与质量传输的评估和管理构建了 realistic 的框架。本研究采用扩展的 Yamada-Ota 模型，研究了与磁-马兰戈尼对流换热相关的三混合纳米流体驻点流动中，伴随非线性热源和活化能的热泳粒子沉积问题。应用适当的相似变换，将非线性无量纲系统转化为常微分方程组。随着马兰戈尼对流参数值的增大，溶质场和热场分布均呈下降趋势。浓度分布随活化能参数值的增大而变得更加显著。临床注册：本研究非临床试验。

**论文解读：粘性耗散三元混合纳米流体驻点流动的表面张力梯度效应热特性分析**

**一、研究背景与问题**

纳米流体因其纳米粒子（nanoparticles, NPs）尺寸小于100 nm而具有显著增强的热导率，已在工业制造、吸收技术、制药操作、制冷系统、反应器、太阳能集热器、换热器及冷却应用中得到广泛应用。随着研究深入，三元混合纳米流体（trihybrid nanofluid, THNF）通过在基液中分散三种不同种类的纳米粒子，进一步提升了热物性，成为强化传热领域的研究热点。然而，在实际高温工程过程中，热传输系统同时涉及多种复杂物理机制的耦合作用，包括热泳粒子沉积（thermophoretic particle deposition, TPD）、活化能（activation energy, AE）诱导的化学反应、表面张力梯度驱动的马兰戈尼对流（Marangoni convection, MC）、粘性耗散（viscous dissipation, VD）及非线性热源效应。现有研究大多仅考虑单一或少数几种机制的耦合，缺乏对多物理场协同作用下三元混合纳米流体流动与传热传质特性的系统分析。此外，驻点流动（stagnation point flow, SPF）作为流体力学中的经典问题，在聚合物加工、电子冷却和热管理系统等工程应用中具有重要地位，但在三元混合纳米流体框架下同时考虑上述多机制耦合的研究仍属空白。因此，开展本项研究对于深入理解复杂热传输过程、优化高温工业设备设计具有重要的理论意义和工程应用价值。

**二、研究内容与方法**

研究人员构建了扩展的Yamada-Ota三元混合纳米流体模型，系统研究了磁-马兰戈尼对流换热条件下，驻点流动中三混合纳米流体伴随非线性热源、活化能和热泳粒子沉积的热量与质量传输特性。三元混合纳米流体由钴铁氧体（CoFe?O?）、二氧化钛（TiO?）和氧化镁（MgO）三种纳米粒子分散于基液水中构成。研究采用相似变换方法将控制偏微分方程组转化为非线性无量纲常微分方程组，并利用MATLAB中的BVP4C数值求解技术，该方法基于四阶配置格式并辅以自适应网格细化，可满足多位置边界条件并获得精确数值结果。研究中使用的热物性模型包括Brinkman粘度模型、Yamada-Ota热导率模型、Maxwell-Garnett电导率模型及混合物密度和热容模型。研究涉及的物理参数包括磁参数M、Darcy-Forchheimer参数F_r、孔隙率参数K_p、马兰戈尼对流参数Ma、活化能参数E、化学反应速率参数Rc、热源参数Q_T和Q_e及纳米粒子体积分数Φ等。

**三、主要研究结果**

**（1）马兰戈尼对流参数对温度场和浓度场的影响**

数值结果表明，当马兰戈尼对流参数Ma增大时，温度分布θ(η)和溶质浓度分布φ(η)均呈现下降趋势。这是由于马兰戈尼效应增强导致流体速度梯度增大，对液流产生强烈的“倾倒”效应（pouring effect），使得流体在驻点区域停留时间缩短，热量和质量交换更充分，从而降低了温度梯度和浓度梯度。表面张力作为流体流动的物理特性，描述了表层分子间的均匀吸引力，当表面张力增大时，分子间吸引作用增强，导致热分布下降。

**（2）非定常参数和磁参数对速度场的影响**

随着非定常参数β值的增加，速度分布f′(η)呈现上升趋势，表明加速流动有利于增强流体运动。而磁参数M增大时，速度分布下降而温度分布升高。这是因为磁场产生的洛伦兹力类似阻尼力，阻碍流体运动，减薄动量边界层厚度，同时将部分动能转化为热能。

**（3）Darcy-Forchheimer参数和孔隙率参数对速度场的影响**

随着Darcy-Forchheimer参数F_r和孔隙率参数K_p的增大，速度分布f′(η)及相应边界层宽度均下降。原因是多孔介质渗透率的降低增加了流动阻力，使流体穿透能力减弱，进而抑制了速度分布。

**（4）热源参数对温度场的影响**

非线性热源参数Q_T和指数热源参数Q_e对温度分布均产生显著影响。数值结果表明，Q_T和Q_e值越大，温度分布越高。这归因于额外热量的注入直接提升了流体的温度水平。

**（5）活化能参数和化学反应速率参数对浓度场的影响**

浓度分布φ(η)随化学反应速率参数Rc的增大而降低，但随活化能参数E的增大呈现上升趋势。活化能越高，化学反应所需的最低能量阈值越大，反应速率相应降低，导致浓度消耗减缓，浓度边界层增厚。

**（6）纳米粒子体积分数对速度和温度场的影响**

随着纳米粒子体积分数Φ的增大，速度分布下降而温度分布升高。这是由于纳米粒子含量的增加提高了流体的有效粘度，流体内部阻力增大，物理上阻碍了流动；同时金属氧化物纳米粒子的高导热特性增强了流体的等效热导率，从而提升了温度分布。

**（7）马兰戈尼对流参数、活化能参数及体积分数对工程参数的影响**

马兰戈尼对流参数Ma的增大会提高努塞尔数（Nusselt number, Nu）和舍伍德数（Sherwood number, Sh），即强化了壁面换热和传质速率。活化能参数E增大时，舍伍德数Sh增大，质量传递速率提升。纳米粒子体积分数Φ的增大同样使努塞尔数Nu增大，表明纳米粒子的添加有效增强了换热性能。

**（8）模型验证**

研究人员通过将当前结果与已有文献报道（设置多余分量为零）进行对比验证，结果显示出良好的一致性，确认了分析结果的可靠性和准确性。

**四、结论与意义**

本研究基于扩展Yamada-Ota模型，系统分析了水基三元混合纳米流体在可渗透辐射拉伸片上方的磁-马兰戈尼对流驻点流动，同时考虑热泳粒子沉积、活化能、粘性耗散、非线性热源、Darcy-Forchheimer多孔介质及表面张力梯度效应。主要结论可概括为：速度曲线随磁参数和Darcy-Forchheimer参数增大而下降；浓度分布随活化能参数增大呈上升趋势；热源参数对温度曲线呈现增温效应；马兰戈尼参数增大使速度场增强而温度和浓度分布降低；纳米粒子体积分数增大使速度分布降低而热分布升高。该研究为高温工程过程中的热与质量传输管理提供了全面的理论框架，其成果可应用于工业冷却加热系统、化学反应器、太阳能热装置及电子冷却等先进热管理系统设计。未来工作可扩展至基于贝叶斯优化的人工神经网络模型，用于碳纳米管（CNT）混合纳米流体生物对流及好氧微生物动力学研究，有望在生物医学工程、靶向给药、生物传热及微流控生物医学器件等领域发挥作用。