考虑粘性耗散、焦耳热效应及屈服应力作用下纳米流体中热能传递增强现象的计算研究：一种局部相似性方法

《Scientific Reports》：Computational investigation of thermal energy transfer enhancement in nanofluid in the presence of viscous dissipation, Joule heating and yield stress: a local similarity approach

　　

摘要

流体的热传输在许多领域都有应用，包括散热器、热系统与冷却系统、磁流体发电机等。本研究探讨了在添加三种不同组合的纳米级颗粒后，Casson流体的热传输性能变化。这三种组合分别为：(i) \(\:F{e}_{3}{O}_{4}\)，(ii) \(\:F{e}_{3}{O}_{4}\)-\(\:Co\)，以及(iii) \(\:F{e}_{3}{O}_{4}\)-\(\:Co\span>-\(\:Ni\span>。它们分别被称作单纳米颗粒、双纳米颗粒和三纳米颗粒。研究中以煤油作为基体流体。在局部热平衡条件下，通过边界层近似简化控制方程组，再利用局部相似变换将控制方程转化为常微分方程组。随后采用BVP4C数值方法对转化后的边值问题方程组进行数值求解。热传导性能优化的目标是利用多纳米颗粒的散射效应提升热导率。多孔介质会对流体流动产生阻力，从而降低对流换热效果，进而使热传递速率下降，最终导致局部努塞尔数减小。因此，在实际应用中，流体不应在需要优化局部努塞尔数的多孔介质中流动。粘塑性会降低表面摩擦系数。此外，含\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>-\(\:Co\span>-\(\:Ni\span>的三元纳米流体所形成的边界层厚度，要大于仅含\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>-\(\:Co\span>的流体以及仅含\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>的流体所产生的边界层厚度。研究表明，相比含有\(\:F{e}_{3}{O}_{4},\:Co\span>和\(\:Ni\span>的煤油，含有\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>和\(\:Co\span>的煤油，以及仅含\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>的煤油，其有效热导率均较低。综上所述，在\(\:\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>-\(\:Co\span>-\(\:Ni\span>-煤油、\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>-\(\:Co\span>-煤油以及\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>-煤油这三种流体中，含\(\:F{e}_{3}{O}_{4}\span>-\(\:Co\span>-\(\:Ni\span>-煤油的流体是热传输性能最佳的工质。热辐射是一种能够携带热能的电磁波，因此热辐射强度增加时，热边界层厚度会减小，局部努塞尔数也会随之上升。