热辐射与磁场协同作用下波纹腔内三元杂化纳米流体热溶质对流的熵优化研究

本研究针对波纹腔体内局部热溶质源驱动的杂化纳米流体对流问题，通过数值模拟探究了热辐射与磁场耦合作用下的熵生成机制。研究人员采用高阶紧致格式（HOC）求解Navier-Stokes方程，发现小尺寸热源可使平均努塞尔数Nuavg提升363.06%，同时降低熵产。该研究为核磁共振成像冷却、太阳能收集等工程应用中的热管理优化提供了理论依据。

　　

在能源转换和电子冷却领域，如何高效控制复杂腔体内的热质传递始终是重大挑战。传统矩形腔体的对流换热效率已接近瓶颈，而波纹结构腔体因其特殊的几何调制能力，能通过增加有效表面积和诱导复杂流型来强化传热。更棘手的是，当系统涉及纳米流体、热辐射与磁场的多物理场耦合时，热力学不可逆性导致的熵增问题会显著降低能量利用率。

西孟加拉邦西多-坎霍-比尔沙大学数学系的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表创新研究，首次系统探究了波纹腔体内Fe₃O₄-Cu/水三元杂化纳米流体在热辐射与垂直磁场协同作用下的双扩散对流（DDC）特性。通过构建非均匀热溶质源模型，他们揭示了局部加热尺寸、辐射参数Rd与哈特曼数Ha对熵产分布的调控规律。

研究采用高阶紧致格式（HOC）求解耦合的Navier-Stokes方程、能量方程和浓度方程，结合Rosseland辐射近似处理热辐射效应。通过定义18个无量纲参数（如达西数Da=10^-3、路易斯数Le=5等），系统比较了不同Ra（10³-10⁶）和Ha（5-15）条件下的流场结构与熵产分布。

热流场调控机制

当Ra=10⁵时，小尺寸热源（B=0.2）产生的热羽流与波纹壁面产生强烈相互作用，形成双涡结构，使Nu_avg较基准值提升363.06%。而辐射参数Rd从0增至1时，热边界层厚度减薄41.7%，这是因为纳米颗粒增强了红外波段的光热转换效率。

熵产最小化策略

在Ha=15的强磁场下，流体黏性耗散导致的熵产S_gen占比从58%降至32%，此时热辐射熵产占比升至45%。特别当Da=10^-2时，多孔介质中的微对流使总熵产降低19.3%，证实了多孔结构与磁场的协同减阻效应。

溶质传输强化

Lewis数Le=5时，热扩散与溶质扩散的耦合使Sherwood数Sh_avg出现双峰分布。当浮升比N=1时，波纹振幅增加0.2可使溶质混合效率提升27.4%，这是因为壁面曲率变化促进了浓度边界层的二次流动。

这项研究建立了波纹腔体-杂化纳米流体-电磁场多物理场耦合的理论框架，其提出的"小热源+强辐射+弱磁场"优化组合，可将太阳能集热器的<热效率提升至>82%。未来工作将聚焦于三维波纹构型优化，并实验验证Al₂O₃-MWCNT等新型杂化纳米流体的辐射增强效应。该成果对开发新一代紧凑型热管理系统具有重要指导价值。