热磁对流下Ag–MgO/水混合纳米流体的传热强化与熵特性

《South African Journal of Chemical Engineering》：Enhancement of Heat Transfer and Entropy Characteristics in Ag–MgO/Water Hybrid Nanofluid under Thermo-Magnetic Convection

　　

通过模拟和数值计算研究了混合纳米流体（hybrid nanofluid）的影响。研究了热磁自然对流（thermo-magnetic natural convection）对传热的作用。在当前模拟中，研究人员采用Ag与MgO纳米颗粒，以水（H₂O）作为基液。同时考虑了纳米颗粒浓度和努塞尔数（Nusselt number）的影响。采用有限元法（finite element method, FEM）计算求解。研究了熵产生（entropy generation）和多孔介质（porous medium）的影响。

热能传递效率是工业热管理系统（如换热器、太阳能集热器、电子冷却装置）的关键瓶颈。传统流体导热系数较低，限制了换热能力的进一步提升。混合纳米流体（hybrid nanofluid）通过将两种或以上不同纳米颗粒分散于基液中，可显著增强有效导热系数与对流换热系数，因而受到广泛关注。然而，已有研究多集中于简单矩形或正方形腔体、均匀多孔介质以及单一纳米流体，对于复杂几何（如三角形分区腔体）内热磁对流条件下混合纳米流体的传热与熵产特性认识不足。特别地，多孔介质放置位置对热性能与热力学不可逆性的协同影响尚不清晰。为此，Sobia Noreen、Umar Farooq等研究人员在《South African Journal of Chemical Engineering》发表了相关研究论文，旨在系统研究Ag–MgO/水混合纳米流体在同心三角形腔体内的热磁对流、熵产生及多孔介质效应，提出被动式热管理优化策略。

研究人员采用基于Galerkin的有限元法（finite element method, FEM）对无量纲连续性、动量及能量方程进行数值求解，模拟二维稳态层流。计算域由同心三角形腔体构成，内三角为冷壁面，外三角波浪壁为热壁面，其余壁面绝热。研究中考察了Rayleigh数（Ra）、Hartmann数（Ha）、磁场倾斜角、Darcy数（Da）以及纳米颗粒体积分数等参数的影响，并专门对比了多孔层位于底部、侧边和顶部三种构型。通过网格无关性验证和与Yuan Ma等人已发表结果的对比，相对误差不超过1.11%，验证了求解程序的准确性。

4.1 Rayleigh数的重要性：通过改变Ra数进行数值实验，发现Ra较低时（10⁵）导热主导，等温线近似平行；当Ra增大至10⁶时，浮力驱动对流增强，流线强度增加，等温线向热壁集中，局部努塞尔数上升，表明对流换热得到强化。

4.2 磁场的重要性：通过改变Hartmann数（0–50）的模拟，发现Ha增大导致洛伦兹力增强，抑制流体运动，流线减弱，等温线向波浪热壁收缩，平均努塞尔数下降，传热机制由对流转变为导热；同时总熵产生随Ha增大而增加，Ha=50时波浪壁及内三角底部出现高熵区域。

4.3 倾斜角的重要性：通过变化磁场倾斜角，发现γ=0时腔体下部形成两个方向相反的涡；增大倾斜角可增强流线和温度分布，但总熵强度降低。局部努塞尔数分布随倾角改变，在波浪壁左右两端呈现差异。

4.4 多孔介质的重要性：通过改变Darcy数（10^?4–10^?2），