混合对流条件下具有中央锥形加热器的皇冠形腔体内二氧化钛-水纳米流体的热传输与不可逆性分析

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Thermal Transport and Irreversibility Analysis of TiO2–Water Nanofluid in a Crown-Shaped Cavity with a Central Cone Heater Under Mixed Convection

　　摘要复杂形状的小型腔室的有效冷却在当今能源和电子设备冷却领域至关重要。然而，对于带有内部加热器的冠状腔室中剪切力的混合对流、纳米流体输运及熵产生过程尚缺乏充分理解。本研究通过系统分析剪切驱动冠状腔室中（腔室中心设有锥形加热器）TiO?-水纳米流体的混合对流（MC）、传热（HT）和熵产生（EG）特性来填补这一空白。采用Galerkin加权残差有限元法（GWRFEM）求解基于Boussinesq近似的稳态、层流、不可压缩控制方程。利用流线、等温线以及平均努塞尔数（Nu_avg）、熵产生（EG）和贝扬数（Be）的分布，研究了纳米粒子体积分数（φ = 0.00–0.05）、理查森数（Ri ≈ 0.1–10）和雷诺数（Re ≈ 100–400）在固定Ra = 10?和Pr = 6.8条件下的影响。研究结果表明，Re和Ri的增大显著增强了循环强度和传热效果，而进一步添加纳米粒子则因有效导热系数提高而提升了热性能。Nu_avg随Re、Ri和φ的增大而上升，且Be远小于0.5，表明在整个研究范围内摩擦不可逆性占主导地位。贝扬数分析证明在所有研究的工况下，流体中的不可逆性均由摩擦控制。研究结果为最大化传热并减少复杂热系统（如太阳能热系统、紧凑换热器和电子设备冷却装置）中的不可逆性提供了有效的设计指导。