《Next Nanotechnology》：Radiative heat and mass transfer in Casson Ti-6Al-4V/AA7075 hybrid nanofluid with bioconvection and Cattaneo–Christov heat flux
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本研究探讨了含Ti-6Al-4V与AA7075纳米颗粒、分散于乙二醇中的Casson杂化纳米流体在拉伸表面上的稳态二维边界层流动及热、质量与微生物耦合输运。数学模型纳入横向磁场、非线性热辐射、Cattaneo–Christov热通量与质量通量、化学反应、对流加
本研究探讨了含Ti-6Al-4V与AA7075纳米颗粒、分散于乙二醇中的Casson杂化纳米流体在拉伸表面上的稳态二维边界层流动及热、质量与微生物耦合输运。数学模型纳入横向磁场、非线性热辐射、Cattaneo–Christov热通量与质量通量、化学反应、对流加热以及由活动微生物诱导的生物对流。采用相似变换将控制偏微分方程组转化为耦合非线性常微分方程组，并利用打靶技术进行数值求解。研究人员将Ti-6Al-4V/AA7075–乙二醇杂化纳米流体的热与输运特性与相应的Ti-6Al-4V单纳米流体进行了比较。结果表明，增大磁参数会因洛伦兹阻力增强而抑制流体速度，而非线性热辐射与温度比参数则提升热场。热松弛参数对温度分布起调节作用，而较大的Schmidt数与破坏性化学反应会降低浓度场。增大生物对流Peclet数与生物对流Lewis数会降低微生物分布。由于有效热物理性质发生改变，杂化纳米颗粒悬浮液相较单纳米流体呈现出独特的热响应。本模型为分析Casson杂化纳米流体中耦合辐射、非Fourier、化学反应及生物对流输运提供了数值框架。
本研究针对含Ti-6Al-4V与AA7075纳米颗粒、以乙二醇（EG）为基液的Casson杂化纳米流体（HNF），在拉伸表面上的稳态二维不可压缩层流边界层流动，构建了耦合动量、能量、组分浓度与微生物密度的输运模型。研究背景在于：纳米流体虽能显著提升导热与能量输运性能，杂化纳米流体（HNF）因多种纳米颗粒的协同效应而具备优于单纳米流体的热学潜力，且生物对流（bioconvection）通过微生物游动引起密度梯度可增强传热传质稳定性；然而既有研究多将Casson流变学、非线性热辐射、Cattaneo–Christov热通量、化学反应与活动微生物输运分别或部分考虑，缺乏在相同磁、辐射、反应与生物对流参数下对Ti-6Al-4V/EG单纳米流体与Ti-6Al-4V–AA7075/EG杂化纳米流体的系统比较，也缺乏对速度、温度、浓度与微生物密度四场同时耦合行为及壁面工程量（表面摩擦系数、Nusselt数、Sherwood数、微生物密度数）的定量分析，故有必要开展本研究。研究人员建立了包含横向磁场、非线性热辐射、Cattaneo–Christov热通量与质量通量、化学反应、对流加热与活动微生物的边界层方程组，经相似变换化为常微分方程组并数值求解，得出了磁参数抑制速度、辐射与温度比参数提升温度、热松弛参数调节温度分布、Schmidt数与破坏性化学反应降低浓度、生物对流Peclet数与Lewis数降低微生物分布等结论，并量化了杂化纳米流体相对单纳米流体的壁面量差异。其重要意义在于为分析Casson杂化纳米流体中耦合辐射、非Fourier、化学反应与生物对流输运提供了数值框架，并为热管理、生物医学与能源系统等应用提供理论参考。研究方法上，研究人员主要采用相似变换将偏微分方程转化为耦合非线性常微分方程组，采用打靶法（shooting technique）结合四阶Runge–Kutta（RK4）格式数值求解，并通过网格无关性检验（网格数由400增至3200，壁面量五位上不变）以及与经典拉伸板解析解和独立BVP4C解的对比完成数值验证；同时采用有效性质模型（effective-property approach）处理杂化纳米流体的热物理性质，未涉及实验样本队列。研究结果如下：在"Physical analysis of results"部分，通过参数化数值计算得出：增大Hartmann数（M）因洛伦兹力增强使速度剖面f′减小，增大Casson参数γ亦使f′下降且杂化纳米流体下降较缓；增大Biot数（Bi）因对流换热增强使温度θ升高，增大γ、辐射参数（Nr）、温度比参数（θw）及纳米颗粒体积分数（?p1、?p2）均提升θ，而热松弛参数（δ1）对传热起抑制作用且单纳米流体更明显；增大γ使浓度?升高，增大Schmidt数（Sc）与化学反应参数（A）使?降低；增大生物对流Peclet数（α）与生物对流Lewis数（β）使微生物分布S下降，而增大M使S上升；增大体积分数与γ提升Nusselt数（Nux），增大M提升Sherwood数（Shx），并给出表面摩擦系数（Cf Re^1/2_x）随γ与M变化的曲线、等值线与曲面图；通过单纳米流体与杂化纳米流体的壁面量对比得出杂化纳米流体表面摩擦系数幅值高4.53%、Nusselt数低0.62%、Sherwood数高0.15%、微生物密度数高0.16%；通过单参数变化百分比分析得出M由0.5增至1.0使|Cf|分别增15.49%（单）与15.80%（杂化），Nr由0.5增至1.0使Nusselt数分别增26.76%与25.96%，Sc由1.0增至2.0使Sherwood数分别增52.41%与52.35%，Peclet数由0.2增至0.5使微生物密度数分别增20.91%与20.89%，γ由2.0增至3.0使|Cf|均降5.72%，Bi由1.0增至2.0使Nusselt数分别增40.67%与41.57%。讨论部分指出研究限于稳态二维层流边界层、采用有效性质模型而未解析团聚、沉降、粒径分布与颗粒间相互作用，未实验验证微生物在乙二醇/金属颗粒悬浮液中的活性，忽略诱导磁场且不含共轭传热与瞬态外强迫，结果为数值性的、需实验验证；未来可扩展至非稳态与三维流动及平板、圆管、多孔通道等几何，构建三杂化或四杂化体系，纳入Joule热、黏性耗散、多孔介质阻力与滑移、变物性、颗粒团聚与非随机微生物分布，开展熵产与Bejan数分析，并基于数值结果发展人工神经网络或机器学习预测工具及实验/高保真模拟验证。研究结论译为：本研究探讨了含Ti-6Al-4V与AA7075纳米颗粒、悬浮于乙二醇中的Casson杂化纳米流体在拉伸表面上的二维生物对流流动，模型包含非线性热辐射、Cattaneo–Christov热通量与质量通量、化学反应、对流加热与活动微生物，所导出的非线性常微分方程用打靶法数值求解，主要结果如下：磁参数增大使速度剖面减小，原因是诱导洛伦兹力反向阻碍流动并增加动量边界层内阻力；按所选参数约定，较高Casson参数降低速度剖面，表明流体非Newton性强烈影响动量输运与壁面剪切；增大辐射参数因输送更多辐射能而提升温度剖面，从而改变热边界层厚度；较大Biot数因拉伸表面对流加热增强而使流体更热，壁面传热率取决于由此产生的温度梯度；热松弛参数增大时温度分布因有限热松弛效应而改变，凸显非Fourier Cattaneo–Christov热通量模型的重要性；添加Ti-6Al-4V与AA7075纳米颗粒改变基液导热率、密度、热容与黏度，杂化纳米流体热行为不同于Ti-6Al-4V/乙二醇单纳米流体；较高Schmidt数降低浓度剖面并减薄浓度边界层，类似地增大化学反应参数（A）因消耗更多组分而降低浓度分布；生物对流Peclet数与生物对流Lewis数增大时微生物分布下降，原因是微生物输运、对流与扩散之间的平衡发生移动；磁场通过改变速度场间接改变微生物分布，而不通过微生物输运方程中的直接洛伦兹力项起作用；网格无关性检验及与解析拉伸板极限解和BVP4C解的比较证实数值程序对所研究情形是准确的；杂化纳米流体的表面摩擦幅值比单纳米流体高4.53%，而在所选基线条件下杂化纳米流体的Nusselt数低0.62%；磁参数由0.5升至1.0时纳米流体表面摩擦幅值增15.80%；辐射参数由0.5升至1.0使纳米流体Nusselt数增25.96%；Schmidt数由1.0升至2.0使纳米流体Sherwood数增52.35%；生物对流Peclet数由0.2升至0.5使纳米流体微生物密度数增20.89%；这些发现为认识非Newton流变学、非线性辐射、热松弛、化学反应与生物对流对杂化纳米流体输运的联合影响提供了基础。
