广义纳米材料中悬浮活体生物波状动力学行为的磁浮效应研究

《Scientific Reports》：Advanced study of wavy dynamical behavior of suspended living organisms in generalized nanomaterials with magnetic and buoyancy effects

本研究针对微生物诱导密度梯度对动量和传热传质的显著影响，提出了一种分析Cross流体中旋向性微生物在生物对流下波状流动的新数学模型。通过改进的bvp4c算法求解非线性边界值问题，发现Péclet数和Rayleigh数增加会降低拖曳力及传热传质速率，而磁场参数和Rayleigh数对Sherwood数有显著抑制作用。该研究为微流控设备和纳米流体热管理提供了重要理论支撑。

　　

在微流控设备和生物医学工程领域，纳米流体中微生物的运动行为对传热传质过程具有重要影响。然而，现有的研究多局限于平坦表面的流动分析，对实际应用中常见的波状表面下微生物输运机制的认识仍显不足。特别是在磁场和浮力效应共同作用下，非牛顿流体中旋向性微生物的复杂动力学行为尚未得到系统研究。

为解决上述问题，Latif Ahmad等人发表在《Scientific Reports》上的研究，建立了垂直波状表面Cross流体中旋向性微生物生物对流的数学模型。该研究首次同步分析了Péclet数、Rayleigh数和磁场强度等关键参数对拖曳力、传热传质速率及微生物密度的耦合影响。

研究人员采用改进的bvp4c算法求解变换后的非线性边界值问题，通过网格独立性验证和已有文献对比确保了数值方法的可靠性。研究还通过流线图和等温线图直观展示了磁场参数和Péclet数对流动结构和温度分布的影响。

关键技术创新

本研究采用改进的bvp4c算法处理边界层变换后的常微分方程组，通过渐进式扩大计算域确保数值稳定性。利用无量纲化方法将控制方程简化为包含Weissenberg数、Richardson数、生物对流Rayleigh数等关键参数的耦合系统，并通过流函数变换处理波状表面几何特征。

速度场与温度场分布

研究发现磁场参数m增大时，洛伦兹力抑制流体运动，导致速度边界层增厚。Péclet数增加则强化对流传热，使等温线分布更密集。图4显示Prandtl数增大时热边界层变薄，等温线向加热表面聚集。

工程参数定量分析

数据显示磁场参数从0.1增至0.5时，表面摩擦系数CfRe^0.5降低12.3%，Nusselt数NuRe^-0.5下降15.7%。Péclet数增加则使微生物密度QRe^-0.5提升约20%，表明对流运输对微生物聚集的关键作用。

生物对流效应

生物对流Rayleigh数Rb增大引发纳米颗粒随机运动，破坏有序流动结构。当Rb从0.3增至0.7时，传质Sherwood数降低18.4%，微生物密度下降22.1%，证实生物对流对输运过程的抑制作用。

边界层特性

速度分布显示磁场参数m=0.5时边界层厚度比m=0.1时增加37%。温度曲线表明磁场抑制对流后，近壁区温度梯度减小，与Nusselt数下降趋势吻合。

本研究通过系统分析波状表面非牛顿流体的生物对流现象，揭示了磁场和浮力效应耦合作用下微生物输运的新机制。改进的数值方法为复杂边界层问题提供了可靠解决方案，研究结果对设计高效微流控设备和靶向给药系统具有指导意义。未来可拓展至三维流动、瞬态分析等更接近实际应用场景的研究。