辐射热传导对含均相-非均相反应的Maxwell流体生物对流流动特性的影响机制研究

研究人员针对多孔拉伸圆柱体上Maxwell流体的生物对流流动问题，结合磁流体动力学(MHD)、焦耳热效应及变物性参数，系统探究了辐射热传导与均相-非均相化学反应耦合作用下的传热传质特性。通过Bvp4c数值解法揭示了Maxwell参数β增大导致流速降低、热导率参数ε强化温度场等关键规律，为生物微系统流动控制及非牛顿流体工业应用提供了理论支撑。

　　

在能源工程和生物医学领域，非牛顿流体在复杂环境下的流动行为一直是研究热点。Maxwell流体作为典型的粘弹性材料，其应力松弛特性在聚合物加工、原油提纯等领域具有重要应用价值。然而，当这类流体遭遇磁场作用、化学反应与生物运动耦合时，其传热传质机制会呈现怎样的变化？这成为困扰学术界的关键问题。特别是多孔介质中伴随微生物运动的辐射传热过程，涉及流体力学、热物理学和生物化学的复杂交互，传统理论模型难以准确描述。

针对这一挑战，巴基斯坦伊斯兰堡Quaid-i-Azam大学数学系的研究团队开展了创新性研究。他们建立了多孔拉伸圆柱体上Maxwell流体的生物对流模型，综合考虑了变物性参数、均相-非均相反应、非线性热辐射和焦耳热效应等多场耦合作用。通过引入热对流边界条件，采用相似变换将控制方程转化为常微分方程组，最终运用MATLAB的Bvp4c算法进行数值求解。

关键技术方法

研究采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，主要技术路线包括：1) 建立包含Darcy-Forchheimer阻力的磁流体动力学控制方程；2) 引入温度依赖的热导率模型和辐射热流模型；3) 构建包含微生物趋化运动的双扩散方程；4) 通过相似变换实现方程无量纲化；5) 采用四阶Runge-Kutta算法结合打靶法进行边界值问题求解。

主要研究结果

流动特性分析

研究发现圆柱曲率参数α增大可使流速提升17.6%，而Maxwell参数β增至0.7时会导致边界层厚度缩减23%。Darcy-Forchheimer数Fr从0.2增至0.8时，流动阻力使最大流速下降34%，这与Sudarmozhi等(2025)关于多孔介质中粘弹性流动的研究结论一致。

温度场分布规律

变热导率参数ε从0.5增至2.0时，表面温度提升41.7%。值得注意的是，Prandtl数Pr增加会强化温度梯度，当Pr=4时努塞尔数Nu_z比Pr=2时提高49.3%，证实了高Pr流体更利于热量传递。

化学反应影响

均相反应强度K₁从1.5增至3.0时，反应边界层厚度缩减38%。而Schmidt数Sc增至3.0时，质量扩散增强使浓度场扩大21.5%，表明动量扩散与质量扩散的比值对反应进程具有调控作用。

微生物运动特征

生物对流Lewis数Lb从1.0增至4.0时，微生物密度分布x(η)的峰值降低52%，这与Rehman等(2024)采用人工神经网络预测的生物对流模式相符。Peclet数Pe增大则使微生物聚集区向壁面移动，当Pe=1.3时近壁区微生物密度比Pe=0.1时高86.7%。

研究意义与展望

该研究通过系统解析多物理场耦合作用，首次揭示了辐射热传导对生物对流Maxwell流体流动特性的调控机制。特别是发现热导率参数ε与曲率参数α的协同效应可使传热效率提升2.1倍，这为设计新型生物反应器提供了重要参考。研究提出的包含焦耳热效应的改进模型，弥补了Pan等(2023)关于圆柱体纳米流体研究中未考虑变物性参数的不足。未来研究可拓展至三维球面流动，并引入湍流模型以更精确描述工业尺度下的流动特性。论文发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》，其建立的数值框架为生物微流控器件优化和能源设备设计奠定了理论基础。