矿物油基杂化纳米流体在多重流动条件及辐射效应下的热物理动力学：个体、协同与形态影响分析

研究人员针对工业设备热管理需求，开展了矿物油基杂化纳米流体（含Alu和MoS2纳米颗粒）的热动力学研究。通过Caputo-Fabrizio分数阶模型分析多形状颗粒（柱状/球形/层状等）对传热性能的影响，发现杂化纳米流体使矿物油导热能力提升67%，层状颗粒结构的热效率最优，剪切应力降低11.2%。该研究为高热流密度设备的冷却系统设计提供了理论依据。

　　

在能源密集型产业中，设备过热导致的效率下降和材料劣化一直是工程领域的痛点。传统矿物油(MO)作为冷却介质，其有限的热导率难以满足现代高功率设备的热管理需求。这一瓶颈催生了纳米流体技术的研究热潮——通过将纳米颗粒分散于基液中，可显著提升流体的传热性能。但单一纳米颗粒的增强效果存在天花板，且颗粒形态对性能的影响机制尚不明确。

泰国国王科技大学理论计算科学卓越中心(TaCS-CoE)的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表突破性研究，创新性地采用二硫化钼(MoS₂)和铝合金(Alu)双组分纳米颗粒构建杂化纳米流体，并系统考察了五种颗粒形态（柱状/叶片状/四面体/球形/层状）对热物理性能的影响。通过引入Caputo-Fabrizio分数阶导数模型，团队成功解析了多物理场耦合下的传热机制，发现层状颗粒构型可使矿物油导热性能提升67%，同时降低流动阻力11.2%，为工业散热设计提供了全新解决方案。

研究采用三大关键技术：1）基于Hamilton-Crosser模型的杂化纳米流体热物性计算；2）结合辐射传热项的分数阶动量-能量耦合方程构建；3）Laplace变换与Hankel变换联用的非经典边界条件求解。通过建立包含磁场项、孔隙率项和形状因子S的广义控制方程，实现了对复杂传热过程的高精度刻画。

【流动与传热特性】

研究发现MoS₂-Alu杂化体系存在显著的协同效应：当两种颗粒体积分数均为4%时，纳米流体的等效导热系数呈现超叠加增长。通过引入形状因子S（层状颗粒S=16.15，球形S=3），证明高比表面积结构更利于形成热流网络。辐射传热使边界层温度梯度减小29%，这对高温工况下的设备保护至关重要。

【形态效应量化】

五类颗粒的效能排序为：层状>叶片状>柱状>四面体>球形。特别地，层状MoS₂因其二维材料特性，使基液在y轴方向的导热各向异性比达到5.8:1，这种方向性强化为定向散热设计提供了新思路。

【分数阶模型优势】

与传统整数阶模型相比，Caputo-Fabrizio算子能更准确捕捉纳米颗粒的"记忆效应"——实验数据显示，分数阶阶次ε=0.75时，瞬态传热的模拟误差从12%降至3.2%。该模型成功预测了纳米流体在阶跃热负荷下的弛豫时间，为动态热控制提供了理论工具。

这项研究从三个维度推进了工业热管理技术：1）建立了杂化纳米流体的形态-性能定量关系；2）开发了适用于非牛顿流体的分数阶仿真方法；3）验证了辐射传热在纳米流体中的增强机制。团队提出的"层状颗粒协同悬浮"策略，已成功应用于某型变压器油冷却系统，使满负荷运行温度下降18℃。这些成果不仅为能源装备的微型化设计扫清了热障碍，也为癌症热疗等生物医学应用中的精准温控提供了新思路。