形状依赖的Fe3O4–CoFe2O4混合纳米流体在Cattaneo–Christov热流与化学反应下的热分析

《Discover Nano》：Thermal analysis of shape-dependent Fe3O4–CoFe2O4 hybrid nanofluid with Cattaneo–Christov heat flux and chemical reaction

　　

高效热系统在分析可持续与工程系统具有挑战性的需求方面已变得重要。混合纳米流体（hybrid nanofluid, HNF）的悬浮液呈现出优越的热效应，并为提高现代能源系统的效率提供了新机遇。当前分析将辐射混合纳米流体的应用与形状特征的应用及辐射效应的实施联系起来。采用磁铁矿（Fe₃O₄）和钴铁氧体（CoFe₂O₄）纳米颗粒与发动机油基液来建模混合纳米流体（HNF）分解。在HNF悬浮液中讨论了五种形状特征（圆柱形、球形、六面体形、四面体形和柱形）。借助热辐射和修正Cattaneo–Christov方法评估传热动力学。HNF的传质也通过化学反应性物种进行预测。采用打靶法（shooting scheme）求解该问题。所得结果报告了对下一代热系统和核能管理的应用。研究结果表明，增强Deborah数（Deborah number）和纳米颗粒体积分数会改善热分布，而Hartmann数（Hartmann number）和热松弛数（thermal relaxation number）分别抑制速度分布和温度分布。纳米颗粒形状和热辐射（thermal radiation）改善热行为。浓度场随浓度松弛数（concentration relaxation number）和化学反应参数（chemical reaction parameter）的增加而下降。此外，Sherwood数（Sherwood number）随浓度松弛增强而增大，且对于较大的Deborah数，壁面剪切力随Hartmann数减小。临床试验编号：不适用。

研究背景方面，高效热系统是可持续与工程系统的重要需求。常规流体在热管理中的能力有限，纳米流体（nanofluid, NF；将纳米颗粒分散于基液中形成的悬浮液）因强化传热而被用于高效能源系统、核与化学反应器、冷却板及热管理系统。混合纳米流体（hybrid nanofluid, HNF；由两种或多种纳米颗粒分散于基液中形成的纳米流体）通过复合不同纳米颗粒，具有更稳定的悬浮、显著传热动力学和改善的导热性，在可再生热系统和现代能源系统中受到关注。现有研究已考察旋转流、多孔拉伸面、同轴圆柱、渗透面、电磁流体动力学、发动机油热特征及熵产等情形，但纳米颗粒形态对HNF热物性和热传输的影响仍需系统分析。传统傅里叶模型假定热流对温度梯度瞬时响应，难以充分描述热松弛显著时的传热；传质过程也需考虑化学反应和浓度松弛。基于此，研究人员选择磁铁矿（Fe₃O₄）和钴铁氧体（CoFe₂O₄）纳米颗粒与发动机油基液，采用Maxwell流体（Maxwell fluid；描述黏弹性非牛顿行为的流体模型）表征HNF的黏弹性，结合修正Cattaneo–Christov热流（Cattaneo–Christov heat flux；考虑热流有限响应时间的广义热传导模型）、热辐射和化学反应性物种，研究五种纳米颗粒形状（圆柱形、球形、六面体形、四面体形和柱形）下的流动、传热与传质。研究结果表明，增强Deborah数（Deborah number, De；表征黏弹性松弛时间与流动时间尺度之比）和纳米颗粒体积分数可改善热分布；Hartmann数（Hartmann number, S；表征磁力与黏性力之比）和热松弛数（γ_a）分别抑制速度与温度分布；纳米颗粒形状和热辐射改善热行为；浓度场随浓度松弛数（γ_b）和化学反应参数（ε）增大而下降；Sherwood数（Sherwood number, Sh；无量纲传质系数）随γ_b增大而增大，较大De下壁面剪切力随S减小。该研究为热交换器、太阳能集热器、电子冷却、回热、储能装置和高温热加工等先进热管理过程提供设计依据，并指向下一代热系统和核能管理应用。

关键技术方法方面，本研究为理论建模与数值求解研究，未涉及样本队列来源，临床试验编号不适用。研究人员建立二维稳态层流Maxwell HNF在弹性拉伸表面上的流动模型，考虑磁力、热辐射、修正Cattaneo–Christov热流和修正Fick传质，并引入一阶均相化学反应及对流边界条件；以Fe₃O₄、CoFe₂O₄和发动机油物性构建HNF有效密度、热容、电导率、导热率和动力黏度关系，纳入五种形状因子。控制方程经相似变换化为无量纲系统，采用打靶法（shooting method）结合四阶Runge–Kutta（fourth-order Runge–Kutta）求解，计算域取η_∞=6，收敛容差为10^?6，并与Hayat的极限情形数据对比验证。

研究结果方面，速度分布：通过参数化数值模拟考察De和S对速度剖面的影响，得出De增大使速度下降，HNF的下降幅度较小；S增大使速度下降，Lorentz力控制流体运动，发动机油中Fe₃O₄与CoFe₂O₄悬浮液减弱该下降。温度分布：通过图形分析考察De、φ₁、φ₂、ω、γ_a、δ和S_f的影响，得出De增大使温度升高；纳米颗粒体积分数增大提高传热速率和热分布；热辐射参数ω增大显著增强温度；γ_a增大使温度下降；Biot数δ增大增强温度；形状因子S_f显著提升热分布，HNF的热重组更有效。浓度分布：通过浓度场参数分析得出γ_b增大使浓度下降；De增大使HNF和MNF浓度增加；ε增大使浓度降低，归因于破坏性化学反应控制传质。表面量：通过皮肤摩擦系数、Nusselt数（Nusselt number, Nu；无量纲传热系数）和Sh的变化分析得出，皮肤摩擦系数随S呈下降趋势，并在较大De下减小；Nusselt数随De增大而降低；Sh随γ_b增大而增大。形状特征与数值验证：通过五种形状因子的热物性关系分析得出纳米颗粒形态被系统纳入热特征评估；通过与Hayat极限情形f″(0)数据比较，计算结果高度一致，确认数值解精度。

讨论与结论部分，讨论将上述趋势归因于黏弹性松弛、有限传播特征、Lorentz力、纳米颗粒体积分数与形状强化、热辐射以及破坏性化学反应等机制；HNF与单纳米流体（mono nanofluid, MNF；单一纳米颗粒悬浮液）对比显示HNF在速度控制和热分布方面具有更强调节能力。研究结论部分翻译如下：De和Hartmann参数对速度剖面呈下降影响；MNF在速度控制动力学中发挥显著作用。温度剖面因De和较大纳米颗粒体积分数而增加；HNF悬浮液在热分布中呈现更多样化的变化。传热速率随热松弛数放大而受到控制。形状特征的显著影响表现为热分布增强。传质对浓度松弛参数和化学反应常数呈下降趋势。对于HNF和MNF，热分布因辐射参数而增加。皮肤摩擦作为Hartmann数函数的变化在较大De下减小。Sherwood数随浓度松弛参数变化呈增大影响。