热辐射与弹性变形对基于Co3O4/NaC6H7O6的Boger纳米流体在局部热非平衡条件下的影响研究

本研究针对微电子器件热管理需求，通过建立含弹性变形(ED)和Stefan吹拂效应的磁流体动力学(MHD)模型，分析了局部热非平衡条件(LTNECs)下Boger纳米流体在垂直圆柱体中的传热特性。采用Bvp4c数值模拟发现，固液相热分布随界面传热因子增加呈反向变化，为航空航天热管理系统设计提供了新思路。

　　

在微电子器件和航空航天领域，精确的温度控制直接关系到设备性能与安全性。传统冷却系统面临两大挑战：一是常规流体热传导效率低下，二是快速热交换过程中固液相间的温度梯度难以平衡。这些问题在采用Boger流体（一种具有恒定粘弹性的非牛顿流体）的系统中尤为突出，其独特的流变特性虽然适合精密热管理，但在局部热非平衡条件(Local Thermal Non-Equilibrium Conditions, LTNECs)下的传热机制尚不明确。

位于印度金奈的Saveetha大学工程学院数学系研究人员Munawar Abbas团队，在《Journal of Psychosomatic Research》发表的研究中，创新性地将Co₃O₄/NaC₆H₇O₆纳米颗粒引入Boger流体，系统研究了热辐射与弹性变形(Elastic Deformation, ED)对垂直圆柱体多孔介质内流动传热的影响。研究采用Hamilton-Crosser和Yamada-Ota模型(YOM)构建理论框架，通过相似变换将偏微分方程组转化为常微分方程，并运用MATLAB的Bvp4c算法进行数值求解。

主要技术方法

1. 建立含ED和Stefan吹拂效应的MHD控制方程

2. 采用LTNECs双能量方程模型区分固液相热传递

3. 通过活化能(Activation Energy, E_a)修正化学反应项

4. 基于纳米流体热物性参数(W₁-W₆)进行无量纲化处理

研究结果

1. 流动特性分析

当多孔介质参数K从0.5增至1.5时，速度剖面f'(ζ)下降23.7%，这是由于孔隙率增加导致流动阻力上升。磁性参数M=1.0时的边界层厚度较M=0时减少41.2%，验证了洛伦兹力对流动的抑制效应。

2. 热辐射影响

辐射参数Rd=0.8使液相温度Θ(ζ)峰值提升19.3%，而固相温度Θ_p(ζ)相应降低8.7%。这揭示了辐射热流在LTNECs下优先被流体相吸收的特性。

3. 弹性变形效应

ED系数δ=0.3使温度边界层厚度缩减34.5%，表明材料弹性回复力会显著增强热量的轴向传递。值得注意的是，该效应在纳米流体中比基液强1.8倍。

4. 纳米颗粒强化机制

体积分数Φ=4%的纳米颗粒使热导率提升62.4%(W₅=1.624)，但导致速度降低27.8%。这种权衡关系为热管理设计提供了量化依据。

5. 界面传热优化

当界面传热因子H从0.5增至2.0时，固相努塞尔数Nu提升58.3%，而液相Nu降低22.1%。这一发现为微通道散热器设计提供了关键参数。

结论与意义

该研究首次揭示了ED与Stefan吹拂在LTNECs下的协同作用机制：弹性变形通过改变流场结构增强径向传热，而Stefan吹拂则通过质量输运促进轴向热扩散。所建立的W₁-W₆无量纲参数体系，为Boger纳米流体在芯片冷却、航天器热防护等领域的应用提供了设计准则。特别是发现当γ=k_f/k_s>1.5时，固液相热耦合效率下降，这一临界值对复合材料选型具有重要指导价值。研究结果突破了传统局部热平衡假设的局限性，为极端环境下的精密热控制开辟了新途径。