CuO-水纳米流体在倾斜磁场作用下多孔介质内自然对流的数值研究：化学反应与热传输增强机制

《Hybrid Advances》：Buoyancy-driven magnetohydrodynamic nanofluid flow and heat transfer in a porous cavity with an exothermic reaction governed by Arrhenius kinetics

本文针对多孔介质中CuO-水纳米流体的热传输问题，研究了倾斜磁场、化学反应和纳米颗粒浓度对自然对流的影响。研究人员通过数值模拟发现，增加Rayleigh数(Ra)和Frank-Kamenetskii数(Fk)可显著增强热传输，而高Hartmann数(Ha)会抑制流体运动。适度纳米颗粒浓度(φ=0.05)使平均Nusselt数(Num)提升15%，但过高浓度(φ=0.1)反而降低热传输效率。该研究为优化磁控反应器设计提供了理论依据。

　　

在能源转换和化工过程中，高效的热管理一直是科研人员关注的焦点。多孔介质中的对流换热因其在地热利用、核反应堆冷却和化工反应器中的广泛应用而备受重视。近年来，纳米流体作为新型传热工质展现出巨大潜力，其中氧化铜(CuO)纳米颗粒因其优异的热物理性质成为研究热点。然而，在实际应用中，磁场控制下的纳米流体在多孔介质中的流动与传热特性，特别是存在化学反应时的复杂耦合机制，仍有待深入探索。

发表在《Hybrid Advances》上的这项研究，通过建立三维数学模型，系统分析了倾斜磁场作用下CuO-水纳米流体在多孔方腔内的自然对流现象。研究团队采用有限元法(FEM)求解了耦合的质量、动量和能量守恒方程，考虑了达西阻力、洛伦兹力、浮升力和化学反应热源的影响。为了准确描述纳米流体的特性，研究采用了经验关联式来计算有效导热系数、粘度和热扩散率等参数。

研究结果表明，Rayleigh数(Ra)的增大显著增强了流体流动和热传输。当Ra从10⁴增加到10⁶时，平均Nusselt数(Nu_m)提升了117%，表明浮升力驱动的对流效应显著增强。同时，Frank-Kamenetskii数(Fk)的增加也促进了热传输，Fk从1增加到3时，Nu_m激增311%，这归因于放热反应产生的额外热源强化了热对流。

值得注意的是，纳米颗粒浓度存在最佳值。当φ=0.05时，Nu_m提高15%，但进一步增加至φ=0.1时，由于粘度增大和颗粒聚集，Nu_m反而下降26%。磁场的影响表现为明显的抑制作用，Ha从0增至80时，Nu_m降低52%，表明洛伦兹力有效抑制了流体运动。

在参数影响方面，Péclet数(Pe)的增加虽然降低了流速，但增强了对流换热，Pe从10³增至10⁵时，Nu_m提高117%。而孔隙率的增大会减弱固体基质对流动的约束，当ε_p从0.1增至0.9时，Nu_m下降42%。

研究还发现磁场倾角对流动和传热的影响相对较小，其中90°倾角时传热效果最佳。流速分布显示，高Ra和Fk值时，腔体内会形成更强的涡旋结构，等温线扭曲程度加大，表明对流换热占主导地位。

这项研究的创新之处在于同时考虑了磁场倾角、化学反应和纳米颗粒的协同效应，揭示了多物理场耦合作用下纳米流体在多孔介质中的传输机制。研究结果对化工反应器、电子设备冷却和能源储存系统的优化设计具有重要指导意义，为复杂环境下热管理技术的创新提供了新思路。

通过系统的参数分析，该研究明确了各因素对热性能的影响规律，为实际应用中操作条件的选择提供了理论依据。未来工作可进一步考虑非平衡热模型、颗粒尺寸分布和聚集效应等因素，以更精确地预测实际系统中的传输行为。