具有蒸发和滑移效应的可变形拉伸圆柱表面的非稳态边界层流动与辐射传热：基于交叉验证的Akbari-Ganji方法与有限元解

《Scientific Reports》：Unsteady boundary-layer flow and radiative heat transfer over a deformable stretching cylinder with transpiration and slip: cross-validated Akbari-Ganji and finite-element solutions

　　

摘要

本文针对具有均匀蒸发、速度/热滑移以及完全T⁴ Rosseland辐射特性的可变形拉伸圆柱体上的非稳态边界层流动与非线性辐射传热问题，构建了一种自相似模型。通过将控制方程简化为耦合的相似常微分方程，采用两种独立方法进行求解：一种是基于切比雪夫配置的Akbari–Ganji方法，另一种是使用二次拉格朗日元素的有限元方法。通过对边界值参考结果的交叉验证，发现该模型的皮肤摩擦系数误差在0.5%以内，努塞尔数误差在1.2%以内。与有限元方法相比，Akbari–Ganji方法的计算速度可提高12–16倍。当存在吸力作用（S?=?0.7）时，皮肤摩擦系数会比有吹气作用时增加3.1倍，而努塞尔数则上升74%。非线性辐射效应（\(\:{R}_{d}\)最大值为3.0，\(\:{\theta\:}_{w}\)最大值为2.0）会因有效辐射导热率的提升而降低对流引起的壁面温度梯度，但在所研究的参数范围内，包括辐射效应在内的总传热系数却有所上升。速度滑移（λ?=?0.5）会使皮肤摩擦系数降低41%，而热滑移则会导致努塞尔数略微下降5%。非稳态效应（A最大值为1.0）会在强吸力作用下使壁面剪应力增加61%，传热系数增加107%。在0.5?≤?Pr?≤?50的参数范围内，传热系数与普朗特数之间存在一定的经验关系，其指数约为0.55；但这一指数不应被视为普遍适用的规律。辐射会改变能量方程，并与传导和対流传输过程相互耦合，不过在所研究的参数范围内，其影响可通过乘法修正因子来近似表示。通过建立简化的关联式，可得皮肤摩擦系数的R²值为0.9996（MAPE值为0.38%），努塞尔数的R²值为0.991（MAPE值为5.36%），这些结果可为高温纤维拉制、热轧以及热管理相关领域的设计提供参考。