NEPCM悬浮液填充波状多孔腔体内磁流体双扩散对流与熵产数值分析

《Next Energy》：Numerical analysis of MHD double-diffusive convection and entropy generation in a wavy porous cavity filled with NEPCM suspension

　　

有效热质传输管理在套管换热器（double-pipe heat exchanger）中仍是能源存储、电子冷却及工业过程优化领域的关键挑战。本研究采用数值方法系统考察了纳米胶囊相变材料（NEPCM）浓度与磁流体动力学（MHD）对一类具有工程代表性的部分多孔波状壁腔体内双扩散自然对流及熵产的耦合影响，该腔体几何构型对应于套管换热器。研究采用有限元法（FEM）（Galerkin加权残差法）在宽广参数范围内进行求解：瑞利数（103 ≤ Ra ≤ 10?）、刘易斯数（0.1 ≤ Le ≤ 10）、浮力比（1 ≤ N ≤ 4）、哈曼数（0 ≤ Ha ≤ 60）、融合温度（0.1 ≤ θ_f ≤ 0.9）、斯蒂芬数（0.1 ≤ Ste ≤ 0.9）、达西数（10?? ≤ Da ≤ 10?1）及NEPCM体积分数（0 ≤ φ ≤ 0.05）。关键结果表明：随Ra从103升至10?，平均努塞尔数（Nu_avg）和平均舍伍德数（Sh_avg）分别提升88%和91%；而随Ha从0增至50，二者分别下降33%和15%。融合温度对整体热质传输影响甚微，但主导熔化/凝固区的空间位置。总熵产随Ra从103升至10?增加99%；而提高Le可使熵产降低84%。上述结果为MHD调控型含NEPCM及多孔插件的套管换热器提供了定量设计准则。

本研究聚焦于部分多孔波状壁腔体内填充NEPCM-水悬浮液的磁流体双扩散自然对流、热质传输及熵产特性，该几何构型表征一类新型套管换热器。研究动机源于热质传输管理在能源存储、电子冷却及工业过程优化中的核心地位，以及现有文献尚未同时涵盖的四个物理机制的耦合空白：磁流体抑制效应、双扩散自然对流、NEPCM相变动力学及达西-布林克曼-福希海默多孔传输。

研究人员识别出现有研究的主要局限：既往文献通常仅考察上述效应的子集——如NEPCM在纯流体腔体中的行为（无多孔介质）、MHD双扩散（无相变）、或多孔对流（无NEPCM），导致这些机制间的耦合相互作用缺乏定量表征。此外，现有研究多基于传统方形或矩形全多孔腔体，与工程实际中套管换热器的波状内表面及局部多孔层结构存在显著差距。第三，既往研究鲜少将熵产分析（热、粘性、磁性和溶质贡献）与局部熔化/凝固场通过融合温度显式关联，无法识别热质传输强化不以过度不可逆性为代价的操作窗口。

基于此，研究人员开展了涵盖八个关键参数的系统数值研究。研究采用Galerkin有限元法在COMSOL Multiphysics软件中实现，通过非均匀三角形网格离散求解，采用PARDISO并行稀疏直接求解器处理大型非对称矩阵，阻尼牛顿-拉夫森法处理非线性。数值方法经Mehryan等、Ghasemi等、Mondal和Mahapatra、Alhashash和Saleh及Kuehn和Goldstein等多篇文献的定性与定量验证，确认最大流函数偏差仅1.38%，Nu_avg偏差低于4%。

研究关键发现如下。融合温度效应：NEPCM融合温度（θ_f）对全局流场结构、等温线及浓度分布影响甚微，因其不改变由热溶质梯度驱动的浮力对流；但θ_f显著调控熔化/凝固区位置——低θ_f时相变区延伸至冷外壁，高θ_f时则收缩至热波壁面附近，Nu_avg和Sh_avg几乎不受θ_f影响。瑞利数效应：Ra表征浮力与粘性-热扩散阻力之比，Ra=103时为传导主导，流线弱且对称；Ra增至10?时转为强烈对流，涡量核心上移，等温线严重畸变，熔化区大幅扩展，Nu_avg和Sh_avg分别提升88%和91%。达西数效应：Da反映多孔层渗透率，Da=10??时多孔层几乎阻断流动，相变活动限于热壁附近；Da增至10?1时流动充分穿透多孔层，热质分布最均匀，最大Ra下Nu_avg和Sh_avg分别提升78%和75%，且Da敏感性随Ra升高而增强，呈协同作用。哈曼数效应：Ha表征磁制动力与粘性力之比，Ha=0时对流充分发展；Ha=50时洛伦兹力显著抑制流动，涡结构由水平拉伸转为垂直取向，Nu_avg和Sh_avg分别下降33%和15%，高Ra下MHD效应更为显著。刘易斯数与浮力比效应：Le从0.1增至10时，Nu_avg下降56%而Sh_avg上升82%，反映溶质驱动次生环流对热环流的抑制及浓度梯度锐化效应；N从2增至6时，Nu_avg和Sh_avg分别提升14%和21%，溶质浮力直接增强质量传输。NEPCM体积分数与斯蒂芬数效应：φ从0增至0.05使Nu_avg提升约22%（有效导热系数增加及潜热吸收），但Sh_avg下降14.4%（粘度增加抑制对流），Ste对整体热质传输影响可忽略。熵产分析：总熵产由热扩散、粘性耗散、磁效应、多孔耗散和溶质扩散五部分构成，热扩散熵产占主导；Ra从103升至10?时Stotal增加99%；Le从0.1增至10时Stotal降低84%，因浓度梯度重组抑制了热环流强度；θ_f对熵产几乎无影响；Da对熵产呈非单调影响，高Ra下Da≈10?3对应最大熵产（最低热力学效率）。

研究结论指出：Ra和Da为主要性能增强因子，二者协同作用；MHD可差异化抑制热质传输且效应随Ra增强；θ_f独立控制相变区位置而不影响整体性能；NEPCM加载存在热增益与质损的权衡；Le变化导致Nu与Sh反向响应；熵产主要由热不可逆性驱动，Le提高可显著改善热力学效率。上述成果为MHD调控型含NEPCM套管换热器的设计优化提供了定量准则，论文发表于《Next Energy》。