磁化多孔半圆形封闭空间中纳米封装相变材料悬浮液的热工水力性能与熵产分析及其在蒸汽甲烷重整热管理中的应用

《Journal of Molecular Liquids》：Thermal-hydraulic performance and entropy generation analysis of nano-encapsulated phase change material suspensions in a magnetized porous half-circular enclosure with application to steam methane reforming thermal management

　　•NEPCM能够提升多孔结构中的热传递效率。•磁场可抑制对流循环。•熔化温度对材料的熔化比例有显著影响。•瑞利数在强化热传递过程中起主导作用。•对流越强，熵产生量越大。

引言
由于在众多工程应用中的重要性，近期有越来越多的研究致力于热传递强化技术[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。研究人员致力于解决那些需要高效热传递的工程问题，以此提升计算机、换热器、可再生能源技术反应器等领域的热传递性能。例如，太阳能收集装置面临的热传递难题可通过新型技术得以解决[6]；而电子芯片中的热传递问题也被研究，旨在提高整体效率[7]。在工业生产中，为节约能源并确保运行稳定性，采用先进方法强化热传递具有重要意义[8]、[9]、[10]。

学术界在研究这些热传递技术时，常常参考有关对流动力学的初步研究成果。为模拟实际应用场景，专家们研究了多种不同结构的容器。有些研究致力于设计更为复杂的腔体结构，如交错形状[11]或更复杂的几何组合[12]、[13]，而另一些则选择方形[14]、矩形[15]、[16]或三角形结构[17]、[18]作为典型示例，因为这些基本模型有助于研究对流热传递现象。由于它们会显著影响腔体内的流动动力学，因此有必要研究多种不同的结构配置。Izadi等人[19]研究了纳米流体在方形结构中的热行为，发现由于几何形状的原因，随着纳米颗粒体积分数的增加，热传递效率得以提升，这是因为该形状有助于形成更顺畅的流线，从而提升热传递效果。而Boukendil等人[20]则研究了包含不同温度内部圆柱体的方形物体，探讨其对几何结构内热性能的影响。他们的研究不仅表明瑞利数增大时会对流动模式产生明显影响，还揭示了内部圆圈的存在对热对流交换性能的显著作用。Wang等人[21]则测试了多种操作因素，如瑞利数、高温源位置以及纳米颗粒体积浓度，对其热效率的影响进行了研究。该研究的主要目的是利用Buongiorno模型，探究充满纳米流体的方形结构中的自然对流现象。降低瑞利数并增加纳米颗粒比例可提升热传递效率，而延长高温源长度则会降低热传递速率。Nabwey等人[30]研究了倾斜U形结构中铜-水纳米流体的自然对流现象，其中右侧、左侧及内侧壁为绝热壁，顶部水平壁视为冷壁，高温源位于下壁。研究结果表明，平均努塞尔数会随高温源宽度及哈特曼数的增加而下降，却会随无量纲热源位置的改变而上升。此外，纳米颗粒的固体体积百分比越高，平均努塞尔数也越高，而长宽比越大，则该数值越低。Saha等人[22]在研究中将极温翅片集成到波浪形方形结构中，以探究其对纳米流体自然对流的影响。研究表明，翅片长度的变化会改变流体的动态特性和热性能，且瑞利数与纳米颗粒浓度都会对平均努塞尔数产生显著影响。

以水和甘油这类常规流体为例，其热传递效率远低于纳米流体。由于导热性较低，热量散发受阻，进而影响系统的散热效率。此外，这类基础流体在极端温度和压力条件下稳定性较差。为改善这类流体的性能，人们通过在传统流体中添加纳米颗粒来制备纳米流体，这一方法取得了重大进展[23]。通过将高导热性的纳米颗粒，如金属（铜和银）[24]或金属氧化物（氧化铝和二氧化钛）[25]，分散到传统传热液中，可显著提升其导热性和传热系数[26]。许多先进的冷却系统，如聚光太阳能发电厂、微电子器件以及现代换热器，都得益于纳米流体的应用[27]。近年来，相变材料在潜热状态下储存和释放能量的能力引起了研究人员的极大兴趣[28]。然而，由于其导热性有限，科学家们提出了另一种新方法，即在相变材料中分布纳米颗粒，从而制成纳米增强型相变材料（NEPCM），这种材料具有更优异的传热性能。相比传统相变材料，NEPCM能更有效地提升热传递效率，因为该方法结合了纳米颗粒的优势与相变材料的保热功能。热传递通过流体中的纳米颗粒实现，而相变则由相变材料核心承担，它在高温环境下能够吸收热量并储存能量。通过获取、储存和释放热能，NEPCM能够在纳米流体中实现有效的热量散发，进而提升热管理效率[29]。Zahid等人[30]研究了纳米增强型相变材料在电子设备热控制中的应用，旨在评估这类材料在延长设备使用寿命、降低工作温度以及降低设备热传递速率方面的作用。研究表明，使用RT54HC/氧化铝材料，当纳米颗粒浓度为0.15–0.25%，且热通量为2.94?kW/m2时，可显著改善电子设备的性能。实验结果表明，普通散热器可使设备温度降低21.3%，而带翅片的圆形散热器可使温度降低25.03%；当热通量为0.98?kW/m2且氧化铝纳米固体浓度为0.25%时，铜泡沫散热器可使温度降低36.2%。

Aly和Alsedais[31]研究了填充有NEPCM的波浪形多孔结构，评估了在不同参数条件下的热性能和传质效果，这些参数包括熔化温度、瑞利数以及达西数。研究结果表明，NEPCM以及经过特殊设计的波浪形结构能够实现更均匀的分布，从而提升腔体的热管理效率。当研究人员运用磁流体力学理论进行分析时，其主要目标是评估磁场对纳米流体动态性能和热性能的影响。导电流体与磁场相互作用产生的洛伦兹力会改变纳米流体的流动结构。磁场的施加方向会影响热传递速率，要么促进热量传递，要么阻碍热量散发。在需要有效热管理的核聚变反应堆等系统中，了解磁场的作用机制至关重要。Alotaibi等人[32]通过对带有纳米增强型相变材料的三角形带翅片结构进行数值模拟，研究了纳米流体的热性能和流动特性，以及操作参数变化对提升热传递效率的潜在影响。研究结果表明，当哈特曼数增大时，热传递和流体流动速率会下降40%，而当该数值减小时，自然对流和热量散发则会增强。此外，熔化温度可通过吸收潜热来调节温度梯度，从而使比热容比改变25%。另外，纳米颗粒浓度越高，平均努塞尔数也会上升10%，进而提升热传递效率。

在焚烧和化学处理等领域，放热过程产生的能量会影响温度控制。许多研究指出，放热现象与热传递强化机制密切相关[33]、[34]。这类反应释放的能量可用阿伦尼乌斯反应动力学模型来描述，该模型往往会导致一些问题，增加热量逸散的风险。通过在各相转变过程中捕获更多热量，NEPCM为缓解温度峰值提供了有效途径。Yadav[35]研究了三种不同结构（方形、矩形和狭长腔体），分别运用两阶段模型和达西模型，通过调整多种参数来分析多孔介质的特性。研究表明，在所研究的受限条件下，纳米流体无法实现振荡对流。瑞利数与达西数的比值、修正后的勒伊值以及扩散系数的变化会促使对流更快开始，从而提升多孔容器内的热交换速率，而比热容比则不会影响对流的起始。热传递量会随着温度导率与比热容之比的增加而上升。在矩形结构中，热传递会随长宽比的增大而降低，而在狭窄和方形结构中也会出现类似现象。此外，与普通水相比，水/氧化铝纳米流体可使热交换效率提升22.7%，水/二氧化钛纳米流体提升20.8%，W-铜纳米流体提升19.8%，水/银纳米流体提升18.9%。

研究人员还探讨了多孔材料作为热传递强化手段的潜力，因为它们能够增加接触面积并破坏边界层。多孔介质与NEPCM悬浮液相结合，能够更有效地捕获和分散相变材料颗粒，从而提升气动传热和传导传热效率。Aly等人[36]研究了在磁场作用下、处于多孔环形结构中的NEPCM，他们改变了瑞利数（从103到106）、时间（从0到0.8）、纳米颗粒体积浓度（从0.01到0.06）以及哈氏数（从0到100），以此研究这些因素对纳米流体热性能和动态特性的影响。他们发现，瑞利数增大会提升热量散发效率，而通过哈氏数增加磁场强度则会导致努塞尔数和施特凡数随时间下降。此外，当纳米颗粒体积浓度增加到0.06时，流速和温度分布分别提升了36.84%和42.86%。Abderrahmane等人[37]则研究了含有NEPCM的梯形结构，其中中心有一个带多孔介质的冷圆圈，他们通过改变磁场强度（从0到102）、孔隙率（从0.00001到0.01）以及圆圈物体的旋转速度（从1到500），探究这些因素对温度分布和纳米流体流动的影响。研究结果表明，当圆圈物体的旋转速度加快时，对流会变得更为活跃，热传递速率也会随之提升。此外，达西数增大也会加速热传递速率。相反，磁场强度的增加则会抑制流体运动，降低热传递效率。最近，随着人工智能技术的不断发展，一些研究开始运用人工神经网络来优化磁流体力学纳米流体流动中的微旋流效应[38]。同样，也有研究将Buongiorno定律与达西-福尔希默理论结合，并借助神经网络来精确预测多孔介质内的对流传输机制[39]。

尽管在基于NEPCM的多孔结构中对流现象的研究已取得显著进展，但磁场控制、多孔介质阻力、相变行为、物质传输、放热现象以及热力学不可逆性之间的复杂相互作用，在现有研究中所考虑的几何结构中仍未能得到充分探讨。此外，关于与蒸汽甲烷重整系统中的局部热管理相关的半圆形多孔结构的研究也相对较少。因此，本研究提出了一种耦合磁-热-溶质效应的模型，用于分析多孔半圆形结构中NEPCM悬浮液的热传递、传质、相变特性、熵产生以及贝詹数等参数的变化规律。这些研究结果为理解基于NEPCM的热管理系统中传热强化机制与热力学不可逆性之间的相互作用提供了新的见解。

数学建模
本文所研究的几何结构及其完整边界条件如图1所示。由于几何对称性，图中仅展示了封闭空间的一半，这样可以降低计算成本。外部圆柱体的壁面被设置为绝热状态，而中央圆柱体则保持在较高的温度和浓度条件下。在中央圆柱体上下各有一个小型圆柱体，它们处于低温状态且浓度较低，用以冷却中央的加热圆柱体。外部圆柱体、中央圆柱体的尺寸……数值方法：通过采用Galerkin加权残差法的有限元方法对控制方程进行数值求解。无量纲控制方程（18–22）也是通过有限元方法并运用Galerkin加权残差法来数值求解的。求解过程采用牛顿-拉夫森线性化迭代法，同时利用PARDISO直接稀疏求解器处理线性系统计算，以提高效率。当收敛达到特定标准时，求解即告完成。结论：本文研究了Ra、Ste、?、Ha、Da、Le、Nz、θf和Fk等众多参数对热量传递、质量传递、浓度分布以及NEPCMs融合特性的影响，旨在了解这些参数之间的复杂关系，从而确定在最佳条件下实现特定实际应用的优化方案。ACRediT作者贡献说明：Hussein H. Alaydamee负责初稿撰写；Mohammed Azeez Alomari负责可视化工作；Inas Ridha Ali负责概念设计；Farooq H. Ali负责审稿与编辑；Hameed K. Hamzah负责验证与监督；Faris Alqurashi负责方法论与研究工作。利益冲突声明：作者们声明自己没有可能影响本文研究成果的任何已知财务利益或个人关系。致谢：作者们感谢比沙大学科学研究处通过快速研究支持计划对这项工作的支持。Hussein H. Alaydamee|Mohammed Azeez Alomari|Inas Ridha Ali|Farooq H. Ali|Hameed K. Hamzah|Faris Alqurashi