熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究現狀

羅小紅

（吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022）

1 納米磁流體概述

納米流體作為一種新型工質，在強化傳熱領域（航天器熱控制、發動機冷卻、核能系統和制冷系統等）和可再生能源利用領域（太陽能光催化制氫、太陽能集熱器和太陽能直接蒸發器等）[1]，減阻潤滑[2]和生物醫學[3]以及儲能[4]等領域得到了廣泛應用。

納米磁流體是一類特殊的納米流體，它既具有固體物質的磁性，又具有液體的流動特性。當有外加磁場作用時，它可以被控制、定位、定向和移動，也起到強化傳熱作用，同時，納米粒子的分布結構特征會發生變化，使得納米磁流體的光學性質會發生變化[5]。近年來，納米磁流體在現代工業中的一些高新技術領域，如可再生能源[5]、生物醫學[6]、光電信息[7]等領域得到了廣泛的應用。以上提到的領域均涉及高溫，因此，納米磁流體也逐漸成了輻射磁流體力學的研究熱點。納米磁流體在以上新技術和前沿技術領域的應用，普遍都涉及納米磁流體的動力學特性、熱力學特性和光學特性等。開展熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的基礎理論研究具有重要的應用價值和科學意義。

2 研究內容現狀

目前，國內外關于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究中主要圍繞兩類問題進行：第一類是邊界層流動問題，根據與納米磁流體相接觸的物體壁面形狀，流動又可分為繞流平板邊界層流動[8-11]、繞流楔型物體邊界層流動[12]和繞曲面物體邊界層流動；第二類是有限區域內的納米磁流體流動問題。

不論是上述哪一類問題，呈現以下特點：研究內容不斷深入與擴大，不僅包括流動、傳熱、表面輻射、介質輻射、傳質，甚至還包括布朗運動、熱遷移、熱泳、歐姆熱等多種物理現象的耦合。

3 研究方法現狀

由于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的問題涉及熱輻射場、磁場、溫度場和流場等多種物理場及其耦合，實驗方法很難同時精確描述影響納米磁流體流動與傳熱的諸多因素，而數值方法就很直觀通過流場、溫度場，采用圖和表的形式，表達出輻射對納米磁流體流動與傳熱影響的機理。目前，針對熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究仍以數值方法和解析法為主。

解析法包括：微分變換法、Laplace分解法和同倫分析法等。同倫分析法是廖世俊教授[13]于1992年提出的用于求解非線性方程的方法，由于該方法可以控制和調節級數解得收斂區間和收斂速度，確保級數解的收斂性。因此大部分學者采用此法來求解熱輻射對納米磁流體流動與傳熱的邊界層問題，比如Hayat等[10]在具有非線性熱輻射作用下，采用同倫分析法研究了納米流體流過拉伸表面時駐點流動，他們研究發現非線性輻射很大時，會導致納米流體溫度升高。

除了解析法外，數值方法也是求解熱輻射對納米磁流體流動與傳熱問題的主要方法。大部分學者采用打靶法迭代確定邊界條件，然后采用Runge-Kutta-Gill法或者Runge-Kutta法求解。比如，Anbuchezhian等[11]在有太陽能輻射導致變流量條件存在的前提下，對不可壓縮黏性納米流體流過多孔豎直拉伸平板時磁流體自然對流和傳熱進行了理論研究。作者們采用李群變換將偏微分方程轉換為常微分方程，最后采用Runge-Kutta-Gill法和打靶法求解。還有學者采用有限差分法[8]、Keller-Box法[9]等。

4 存在的不足

關于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究還存在以下不足：（1）針對輻射源項的處理，大部分研究者[8-12]采用Rosseland近似進行簡化處理來獲得輻射參數，但該近似在光學厚度方面有很好的精度，但不能準確分析介質的其他輻射特性參數如吸收率、散射率對流體流動與傳熱的具體影響；不能分析壁面輻射特性參數如黑度、反射率等的影響。然而，這些參數的影響非常重要，不能忽略，所以有必要求解輻射傳遞方程。但采用求解輻射傳遞方程來獲得能量方程中的輻射源項的研究較少。（2）關于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱數值研究的報道大部分都是邊界層流動與傳熱問題，關于有限區域內的研究報道很少。