三维双向拉伸表面下五元混合纳米流体的磁流体动力学热流分析与辐射滑移效应研究

为解决高效热管理系统中多组分纳米流体的传热优化问题，研究人员开展了Penta-Hybrid Nanofluids（PHNF）在3D双向拉伸表面下的MHD（磁流体动力学）流动与传热特性研究。通过数值模拟分析了磁场、热辐射、焦耳热和粘性耗散等多物理场耦合效应，发现PHNF相比Ternary Hybrid Nanofluids（THNF）具有更高的努塞尔数（提升7.61%）和更低的皮肤摩擦系数（x/y方向分别降低7.61%/8.33%），为电子冷却、太阳能系统等领域的先进热管理技术提供了新思路。

　　

随着电子设备功率密度持续攀升和可再生能源系统效率要求的提高，传统冷却技术已难以满足高热流密度场景的需求。纳米流体（Nanofluids）作为革新性传热介质，通过悬浮纳米颗粒显著提升基液导热性能，而混合纳米流体（Hybrid Nanofluids）更通过多组分协同效应突破性能瓶颈。然而，现有研究多局限于二元或三元纳米体系，对五元混合纳米流体（Penta-Hybrid Nanofluids, PHNF）这类超混合体系在复杂边界条件下的三维流动与传热机制仍缺乏系统认知。

针对这一挑战，Alireza Domiri Ganji团队在《Hybrid Advances》发表研究，创新性地将CuO、Ag、Fe₃O₄、Au和MoS₂五种纳米颗粒分散于水基液中构建PHNF体系，通过磁流体动力学（Magnetohydrodynamics, MHD）模型探究其在双向拉伸表面的三维流动特性。研究采用Rosseland辐射模型、焦耳热（Joule Heating）和粘性耗散（Viscous Dissipation）耦合的传热方程，结合速度滑移边界条件，运用MATLAB的bvp4c求解器完成高精度数值求解。通过方差分析（ANOVA）和响应面方法（Response Surface Methodology）系统评估了磁场强度（M）、速度比参数（γ₂）、辐射参数（Rd）等9个关键变量的影响机制。

2. Problem description

研究建立三维直角坐标系，z轴垂直于双向拉伸表面（x/y方向拉伸速度分别为ax/by）。通过引入相似变换将偏微分控制方程转化为常微分方程组，定义PHNF的等效粘度、密度、热容等物性参数。特别考虑了表面滑移效应（Slip Conditions）和 convective 热边界条件，更贴近工程实际场景。

4. Result and discussion

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  磁场效应：当M从1增至5时，PHNF的x方向速度f'(η)下降23.7%，而温度θ(η)上升18.4%，证实磁场通过洛伦兹力（Lorentz Force）抑制流动但增强热积累。

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  滑移参数影响：x方向滑移参数γ₁增大导致f'(η)降低31.2%，但意外促进y方向速度g'(η)提升12.5%，揭示双向动量重分布机制。

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  热源效应：内部热源Q使PHNF温度场边界层增厚47%，显著高于THNF的35%，凸显五元体系的热能吸收优势。

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  性能对比：在Rd=0.8、Bi=2时，PHNF的努塞尔数（Nusselt Number）达THNF的1.28倍，而x/y方向皮肤摩擦系数（Skin Friction Coefficient）分别降至0.89和0.87倍。

5. ANOVA analysis

方差分析显示：

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  对f''(0)影响排序为γ₁(F=612) > M(F=107) > γ₂(F=20.6)，模型R²=0.9961

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  辐射参数Rd对努塞尔数影响占主导（F=27.87），而磁场M无显著影响（p=0.4877）

6. Conclusion

该研究通过构建CuO-Ag-Fe₃O₄-Au-MoS₂/H₂O五元体系，证实PHNF在3D-MHD流动中兼具：

1）热性能优势：协同效应使努塞尔数提升7.61%，尤其适用于航天器热防护系统；

2）流动控制特性：通过调节γ₁和M可实现皮肤摩擦系数定向调控，在微流控芯片中有应用潜力；

3）辐射响应敏感性：Rd=1时PHNF传热效率较THNF提高34.2%，为太阳能集热器设计提供新方案。

这项研究不仅为多组分纳米流体在极端条件下的应用建立理论基础，其开发的磁-滑移-辐射耦合模型更为下一代热管理系统的智能控制提供了量化设计工具。特别值得注意的是，PHNF在生物医学靶向热疗（Targeted Hyperthermia）中展现的电磁响应特性，为肿瘤局部热消融技术开辟了新途径。