利用三元混合纳米流体与有限元法模拟优化波纹腔内的热能传递：在冷却与加热技术中的应用

《Energy Conversion and Management-X》：Optimized thermal energy transfer in corrugated chamber by using ternary hybrid nanofluid with FEM simulations: application in cooling and heating technologies

　　

： 优化的传热特性是各类机械装置高效产出的刚性需求。目前，研究者持续致力于开发较文献中已存在的纳米颗粒更具创新性的组合。对此，本研究利用三种性质迥异的颗粒（SiO2-MoS2-Cu）的融合体，即三元纳米流体（Ternary Nanofluid），在由引擎油（Engine Oil, EO）作为工作流体填充的新型波纹边界约束空间内进行了研究。同时阐明了通过改变波纹的振幅与频率（周期）对关联特性的影响。倾斜磁场的效用也在本研究中得以展现。腔体中心区域施加绝热热约束，而域的左、右部分保持冷却。问题基于无量纲偏微分方程（PDE）构建，并通过有限元方法（FEM）模拟求解。关键参数对关联分布的影响以图形与表格形式呈现。进行了网格独立性测试与对比验证试验以确保结果的可信度。

论文解读：利用三元混合纳米流体优化波纹腔热能传递的数值研究

研究背景与动机

传统流体（如引擎油）因热导率较低，限制了热系统的效率。单一纳米流体虽能提升导热性，但易团聚沉降。 hybrid nanofluid（混合纳米流体）平衡了单颗粒优劣，而三元混合纳米流体（Ternary Hybrid Nanofluid）有望进一步提升热物理属性。同时，工程应用中波纹边界（Corrugated Boundary）能扰动流场增强换热，外加磁场（MHD）可调控流动。然而，针对SiO₂-MoS₂-Cu/引擎油（EO）在同心半圆形波纹腔内受倾斜磁场影响的自然对流研究尚属空白。为此，研究人员开展了此项数值模拟研究，旨在优化冷却与加热技术中的热能传递，成果发表于《Energy Conversion and Management-X》。

关键技术方法

研究人员采用有限元法（FEM）通过COMSOL Multiphysics软件构建数值模型。研究定义了同心半圆形腔（外半径R_out=0.5L，内半径R_in=0.1L），外边界具正弦波纹（振幅A，频率f），分为左/右冷壁（θ=0,1）与中央绝热段。控制方程基于Boussinesq近似的守恒律（连续、动量、能量），引入Brinkman模型估算粘度，Maxwell模型估算有效热导率。无量纲化引入瑞利数（Ra）、哈特曼数（Ha）、普朗特数（Pr）。边界条件设定无滑移壁面。通过网格细化测试选定4580单元（Extra Fine）确保Nu_avg稳定，并与已有文献及极限案例（Ha=0, f=0）对比验证模型可靠性。

研究结果解读

数学建模（Mathematical modeling）

研究人员建立了层流、不可压、稳态的自然对流模型。引入三元纳米流体（SiO₂-MoS₂-Cu/EO）的等效密度(ρ_THNF)、粘度(μ_THNF)、热容((ρC_p)_THNF)、热膨胀((ρβ)_THNF)及热扩散率(α_THNF)，基于体积分数(φ_n1, φ_n2, φ_n3)加权计算。控制方程含洛伦兹力项（倾斜角α）。边界条件：外波纹壁分段恒温/绝热，内圆壁无滑移。

计算结果（Computational scheme）

通过网格独立性分析，确定4580单元时Nu_avg趋于收敛（约8.03-8.66）。模型验证显示：在Ra=10³-10⁵及Ha=0-100范围内，平均努塞尔数（Nu_avg）与Aziz等、Sheikholeslami等及Pirmohammadi等的文献误差<1%，确认了数值框架的精度。

结果与讨论（Results and discussion）

1. 1.
   瑞利数(Ra)影响：升高Ra（10⁴至10⁶）增强浮力，流线涡旋强度（Ψ）从0.02升至6.5，等温线向冷壁扩展，Nu_avg提升。倾斜磁场(α=60°)使流场向右倾斜。
2. 2.
   波纹频率(f)影响：提高波纹频率(f=20至60)增大了流函数幅值，等温线更贴近半圆腔边界，表明表面湍流与面积增加使换热增强。
3. 3.
   纳米颗粒体积分数(φ)影响：增加三元颗粒总浓度（1%至5%）虽增粘，但显著提升热导率。流线显示一次环流胞强化，等温线从底部向侧壁扩散。对比显示：纯油→纳米流体(SiO₂)→混合纳米流体(SiO₂+MoS₂)→三元混合(SiO₂+MoS₂+Cu)，Nu_avg在Ra=10⁴时从7.3673增至8.6659（提升17.24%）。
4. 4.
   磁场倾角(α)与哈特曼数(Ha)影响：垂直速度剖面在α=±60°时更活跃。Ha增大（洛伦兹阻力增强）抑制流速，加厚热/速度边界层，导致Nu_avg下降（Ha=100时Nu≈1.03 vs 基态2.31）。
5. 5.
   局部与平均换热：局部努塞尔数(Nu_loc)在冷缝区较高。总体趋势：Ra↑→Nu↑；f↑→Nu↑；φ(三元)↑→Nu↑；Ha↑→Nu↓。

讨论与结论（Conclusion）

研究人员总结：波纹振幅/频率调控流场与温度分布，高频波纹提升换热；Ra升高强化自然对流；三元混合纳米流体（SiO₂-MoS₂-Cu/EO）体积分数增至5%可使平均换热率提升约17.24%，优于单/双组份纳米流体；其综合性能最高。因此，三元混合纳米流体适用于封闭腔体散热，能有效冷却发热元件。倾斜磁场提供流动稳定性与阻力调控。本研究通过FEM验证了波纹腔+三元纳米流体+磁场协同优化的可行性，为高效热管理设计提供了理论支撑。