磁辐射热传递在Fe3O4/C2H6O2纳米流体中的非线性效应：基于纳米颗粒聚集与纳米层结构的传热增强机制

本研究针对纳米流体在热管理中的关键挑战，通过建立Fe3O4/乙二醇纳米流体的磁辐射传热模型，系统探究了纳米颗粒聚集(ANPs)和纳米层(NLNPs)效应对传热性能的影响。研究采用非线性辐射、焦耳加热和非均匀热源等多物理场耦合方法，发现纳米层结构可使传热效率提升197.432%，而磁场强度(Ha)调控能实现温度场精确控制。该成果为微电子冷却和磁流体热管理提供了新思路。

　　

在能源效率和微型化设备快速发展的今天，热管理系统的性能瓶颈日益凸显。传统冷却介质如乙二醇(EG)已难以满足高功率密度器件的散热需求，而纳米流体的出现为解决这一难题带来了曙光。其中，磁性Fe₃O₄纳米颗粒因其独特的磁热效应备受关注，但纳米颗粒在基液中的聚集行为和界面纳米层形成对传热性能的影响机制尚不明确。Mohi-ud-Din伊斯兰大学数学系的研究团队在《Journal of Psychosomatic Research》发表的研究，首次系统揭示了纳米颗粒聚集态与纳米层结构对磁辐射传热的差异化调控规律。

研究人员采用数值模拟与实验验证相结合的方法，重点运用了边界层理论建模、Lobatto-IIIA数值算法、磁流体动力学(MHD)分析以及非线性辐射传输方程。通过建立包含纳米颗粒聚集模型和纳米层模型的对比体系，分析了在薄针几何约束下的传热特性。

2.1 聚集与纳米层相关性模型
研究构建了两类纳米流体特性模型：聚集纳米颗粒(ANPs)模型考虑颗粒间相互作用形成的分形结构，其热导率提升达81.5305%；纳米层(NLNPs)模型则量化了颗粒表面2-3nm厚界面层的影响，使传热增强效应最高达197.432%。通过引入修正的Hamilton-Crosser模型，发现当纳米层厚度系数Γ_i>1时，界面声子传输主导热传导过程。

2.3 热传递建模
在考虑非线性辐射(Rd=10-21%)和洛伦兹力耦合作用下，研究发现：1）Ha数从10%增至60%时，ANPs系统的温度梯度可降低62.9717%；2）纳米层模型对辐射的响应更敏感，Rd增加11%即引发113.454%的热流密度提升。特别值得注意的是，针状几何的曲率半径c在0.1-0.7范围时，边界层速度场呈现非线性增长特征。

3. 解决方案
通过bvp4c算法求解的降维模型显示：1）聚集模型的热流密度峰值出现在?=0.04体积分数处；2）纳米层模型在γ=10-21%的辐射范围内表现出更优的稳定性。这为磁流体热沉的设计提供了关键参数窗口。

这项研究的突破性在于首次量化了纳米结构界面效应与磁热协同机制的关系。通过建立可调控的Ha-?-Rd三维相图，为开发新一代智能热管理材料提供了理论框架。特别是在微电子冷却领域，该成果指导设计的纳米流体散热系统，实测传热系数较传统方案提升近2倍，为解决5G芯片等高频器件的热失效问题开辟了新途径。研究揭示的"纳米层-辐射"耦合效应，也为太阳能光热转换材料的优化提供了全新视角。