納米輻射磁流體的研究現(xiàn)狀

摘 要：【目的】深入探究納米磁流體在熱輻射和磁場(chǎng)共同作用下的流動(dòng)與傳熱特性，以優(yōu)化能源利用效率和開(kāi)發(fā)新型傳熱工質(zhì)。【方法】通過(guò)檢索相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)納米磁流體的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納整理，綜述納米磁流體研究的發(fā)展趨勢(shì)。【結(jié)果】不同類型的納米顆粒及其光學(xué)特性對(duì)傳熱和流動(dòng)性能有不同的影響，在熱輻射的作用下，納米磁流體溫度升高，傳熱增強(qiáng)。【結(jié)論】通過(guò)對(duì)納米輻射磁流體研究現(xiàn)狀的深入了解，可以著手研究熱輻射和磁場(chǎng)的共同作用下納米磁流體的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題，且輻射源項(xiàng)由求解輻射傳遞方程來(lái)獲得。

關(guān)鍵詞：熱輻射；納米流體；流動(dòng)與傳熱

中圖分類號(hào)：TK124" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）04-0086-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.017

Research Status of Nano Radiation Magnetic Fluids

SUN Zhiming LUO Xiaohong

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022，China）

Abstract： [Purposes] In order to optimize energy efficiency and develop a new type of heat transfer medium， the flow and heat transfer characteristics of nano-magnetic fluids under the combined action of thermal radiation and magnetic field are investigated. [Methods] By reveiewing relevant literature， the research status of nano-magnetic fluids is systematically summarized， and the development trends of nano-magnetic fluid research are identified. [Findings] Different types of nanoparticles and their optical properties have different effects on the heat transfer and flow properties of nano-magnetic fluids， the temperature of the nano-magnetic fluids increases and the heat transfer is enhanced under the action of thermal radiation. [Conclusions] Through the understanding of the research status of nano radiation magnetic fluids， this study provides a foundation for studying the flow and heat transfer problem of nano radiation magnetic fluids under the combined action of thermal radiation and magnetic field， and the radiation source term can be obtained by solving the radiative transfer equation.

Keywords：thermal radiation; nanofluid; flow and heat transfer

0 引言

納米磁流體是一類新型的流體，由納米磁性粒子懸浮在基液（如水、乙二醇和煤油等）中形成。納米磁流體結(jié)合了流體的流動(dòng)特性與磁性材料的可控性，當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，這些懸浮粒子會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，使流體展現(xiàn)出獨(dú)特的流動(dòng)和傳熱行為。納米磁流體的基本特性包括磁熱效應(yīng)、流體穩(wěn)定性和高熱導(dǎo)率［1］，這些特性使其在傳熱和儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景，在生物醫(yī)學(xué)［2］、可再生能源［3］和光電信息［4］等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以上提到的領(lǐng)域均涉及高溫、納米磁流體的熱力學(xué)特性和光學(xué)特性等，逐漸形成了納米輻射磁流體力學(xué)。由于納米輻射磁流體力學(xué)應(yīng)用廣泛，近年來(lái)出現(xiàn)了諸多關(guān)于該理論與應(yīng)用方面的研究報(bào)道。

1 不同類型納米顆粒對(duì)流動(dòng)與傳熱性能影響的研究現(xiàn)狀

納米磁性顆粒的高表面積體積比可以增強(qiáng)流體的熱傳導(dǎo)性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同類型、形狀和濃度的納米顆粒對(duì)流體的熱傳導(dǎo)和流動(dòng)性能的不同影響進(jìn)行了相關(guān)的研究。常見(jiàn)的納米顆粒包括：碳納米材料（如石墨烯及其氧化物碳納米管等）、金屬及其氧化物納米顆粒（如Cu、Ag、Al2O3、TiO2和Fe3O4等）和復(fù)合納米顆粒。下文對(duì)不同類型的納米顆粒進(jìn)行相關(guān)介紹。

1.1 碳納米材料

石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率和比表面積，加入基液后可顯著提升納米流體的熱導(dǎo)率和對(duì)流換熱性能。近年來(lái)，Khazayinejad等［2］研究了以血液為基液，石墨烯為納米顆粒的納米流體在熱輻射和傾斜磁場(chǎng)影響下，在具有波浪狀壁的非對(duì)稱血管中的蠕動(dòng)問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米顆粒體積份額達(dá)到0.6%時(shí)對(duì)溫度影響最大，當(dāng)體積份額為0時(shí)，影響最小；當(dāng)哈特曼數(shù)（Hartmannnumber，Ha）從0變化到3時(shí)，納米流體溫度升高；當(dāng)磁場(chǎng)傾斜角度從0變化到π/2時(shí)，納米流體溫度迅速降低；隨著輻射的增加，納米流體溫度降低。Jyothi等［5］在考慮對(duì)流和熱輻射邊界條件的情況下，研究了以水為基液、分別以單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）為納米顆粒的納米流體在兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)和拉伸速度的旋轉(zhuǎn)圓盤之間的MHD邊界層流動(dòng)和傳熱特性。研究發(fā)現(xiàn)，熱邊界層厚度隨著輻射參數(shù)的增加而增加，水基單碳納米管納米流體比水基多壁碳納米管納米流體更明顯。在具有熱輻射作用的情況下，Hamid等［6］研究了水基氧化石墨烯納米磁流體流過(guò)一個(gè)移動(dòng)細(xì)針時(shí)流動(dòng)和傳熱問(wèn)題，并對(duì)其數(shù)值解做了穩(wěn)定性分析。

1.2 金屬及其氧化物納米顆粒

以金屬及其氧化物為納米顆粒的納米流體應(yīng)用前景廣闊，不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，下面分別對(duì)以純金屬、金屬氧化物為納米顆粒的相關(guān)研究進(jìn)行介紹。

Alizadeh等［7］在有熱輻射和磁場(chǎng)存在的情況下，研究了可滲透墻之間微極納米磁流體流動(dòng)與傳熱。研究是以水為基液，Cu為納米顆粒進(jìn)行研究的，研究發(fā)現(xiàn)Nu數(shù)是納米流體容積份額和輻射參數(shù)增量的函數(shù)。Hayat等［8］在有熱輻射的情況下，分析了納米磁性流體流過(guò)多孔通道時(shí)蠕變流動(dòng)問(wèn)題。分別對(duì)Cu-水和Ag-水的納米流體進(jìn)行了，研究發(fā)現(xiàn)Cu-水和Ag-水的流線類似，隨著輻射參數(shù)增加，傳熱速率下降。Dawar等［9］揭示了Cu-水納米磁流體流過(guò)具有多孔介質(zhì)拉伸表面時(shí)，二維流動(dòng)是如何受到納米顆粒半徑、非線性熱輻射、粒子間距和傾斜磁場(chǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在有非線性熱輻射的情況下，溫度受嵌入?yún)?shù)影響比有線性熱輻射時(shí)更加明顯。

郭冬智等［10］分析了Al2O3-H2O納米流體在壓力梯度和外加電場(chǎng)作用下通過(guò)柔性納米管道的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)對(duì)流換熱強(qiáng)度隨著B(niǎo)r數(shù)和EDL厚度的增加而降低，隨著納米粒子的體積份額和輻射熱參數(shù)的增加而增加。Tilehnoee等［11］在外加磁場(chǎng)和表面輻射存在的情況下，研究了具有8個(gè)按照一定結(jié)構(gòu)排列的球形鵝卵石（稱為“填充床”）的封閉腔體內(nèi)，Al2O3-H2O納米流體的自然對(duì)流和熵產(chǎn)現(xiàn)象。研究結(jié)果表明：當(dāng)Ra=106時(shí)，只有熱輻射的情況下，熵產(chǎn)增加18%，而存在磁場(chǎng)時(shí)，隨著兩相建模結(jié)果導(dǎo)致熵產(chǎn)增加了78%。Afrand等［12］考慮輻射影響和傾斜穩(wěn)恒磁場(chǎng)的情況下，研究了充滿Al2O3-H2O納米流體的傾斜方腔內(nèi)自然對(duì)流傳熱和熵增。研究結(jié)果表明：考慮熱輻射時(shí)，傳熱速率明顯提高，然而B(niǎo)e數(shù)和總熵增變化很小；當(dāng)輻射參數(shù)上升2時(shí)，平均Nu數(shù)上升111%。Li等［13］研究了有熱輻射和外加磁場(chǎng)的作用下，水基Al2O3納米流體在中心有一個(gè)圓形高溫障礙物的傾斜方腔內(nèi)的自然對(duì)流和熵產(chǎn)問(wèn)題。該研究在基液中加入納米顆粒和熱輻射后，傳熱加快，熵產(chǎn)增加。Dogonchi等［14］在考慮了熱輻射和磁場(chǎng)的作用下，對(duì)兩個(gè)三角形之間的環(huán)形區(qū)了域內(nèi)水基Fe3O4流動(dòng)和傳熱作了相關(guān)數(shù)值模擬。他們研究了輻射參數(shù)、Ha數(shù)、Ra數(shù)、熱參數(shù)和納米顆粒形狀因子及體積份額對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。Sheikholeslami［15］研究了熱輻射作用下，磁場(chǎng)對(duì)水基Fe3O4納米流體自然對(duì)流的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在有外加磁場(chǎng)的作用下，隨著熱輻射參數(shù)的增加，傳熱速率升高，納米流體流動(dòng)加快。Sreedevi等［16］考慮熱輻射和磁場(chǎng)的作用下，對(duì)充滿Tiwari-Das模型的納米流體的方腔內(nèi)自然對(duì)流傳熱問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值研究。其研究的納米流體，是以乙二醇為基液，TiO2為納米顆粒。研究結(jié)果表明，隨著輻射參數(shù)的增加，熱壁面的就有更多熱量傳遞給冷壁面。

Ketchate等在［17］考慮了熱輻射和磁場(chǎng)的影響下，研究了納米磁流體流過(guò)下表面為熱表面、上表面為冷表面的水平多孔通道內(nèi)混合對(duì)流的穩(wěn)定性。其以水為基液，Cu、Ag、Al2O3和TiO2為納米顆粒，組成不同納米流體并對(duì)其進(jìn)行了研究。同時(shí)，研究納米顆粒形狀對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，葉片形納米顆粒對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性有著更好的作用；在小波動(dòng)下，水基氧化物納米流體比水基金屬納米流體具有更好的穩(wěn)定作用，大波動(dòng)下反之亦然；熱輻射、磁場(chǎng)和多孔介質(zhì)的滲透率對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性都有明顯的影響，并對(duì)流動(dòng)具有穩(wěn)定作用，使得控制納米流體混合流動(dòng)成為可能。

綜上所述，納米顆粒的不同種類對(duì)納米流體的熱傳導(dǎo)性能的影響也各不相同。雖然金屬氧化物熱導(dǎo)率低于純金屬，但因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的成本和易分散性，以金屬氧化物為納米顆粒的納米流體成為許多工程應(yīng)用中的優(yōu)選。

1.3 復(fù)合納米顆粒

隨著研究的不斷深入，復(fù)合納米顆粒與兩種或多種納米顆粒的優(yōu)勢(shì)，成為納米流體研究的新方向。復(fù)合納米流體比普通納米流體能更好地提高介質(zhì)的傳熱能力。諸多學(xué)者為此展開(kāi)了大量研究。

Hansda［18］研究了熱輻射和傾斜磁場(chǎng)對(duì)具有高溫部位壁面的波形梯形腔體內(nèi)Cu-Al2O3混合納米流體雙擴(kuò)散混合對(duì)流動(dòng)的影響。研究中考慮了左邊壁面高溫部位位于不同位置的兩個(gè)例子，研究表明：輻射參數(shù)對(duì)整體傳熱性能有著顯著的影響；平均Nu數(shù)隨著Ha數(shù)增加而減小，然而隨著磁場(chǎng)傾斜角度增加而增加。Kamran等［19］對(duì)三維磁流體流過(guò)一個(gè)拉伸平板的問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬。分別研究了Ag-H2O納米流體和Ag+Al2O3-H2O混合納米流體。研究發(fā)現(xiàn)：隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)，傳熱速率減小，Ag-H2O納米流體比混合納米流體（Ag+Al2O3-H2O）更加明顯；隨著輻射參數(shù)的增大，溫度升高。Hassan等［20］在考慮磁場(chǎng)和輻射的情況下，研究了不同基液的混合納米流體流過(guò)一個(gè)嵌有多孔介質(zhì)的豎直旋轉(zhuǎn)圓錐傳熱問(wèn)題。以Ag和CuO為納米顆粒，采用了不同的基液即天然酯和合成酯。研究發(fā)現(xiàn)，Ag+CuO-天然酯納米流體比Ag+CuO-合成酯納米流體具有更好的傳熱和傳質(zhì)性能。Rajput等［21］研究了在熱輻射和磁場(chǎng)作用下，兩平行平板之間以水為基液，以石墨烯、氧化石墨烯和Ag為納米顆粒的三元混合納米流體的擠壓流動(dòng)問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，納米流體的溫度和濃度都隨著熱輻射和納米顆粒數(shù)量的增加而降低，隨著Pr數(shù)和熱泳的增加呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象；三元納米流體的溫度和濃度低于二元納米流體和普通納米流體，但在擠壓運(yùn)動(dòng)中，其下板的阻力、熱輸運(yùn)率和質(zhì)量輸運(yùn)率更高，而在上板的作用則相反。

2 納米顆粒光學(xué)特性的研究現(xiàn)狀

納米流體對(duì)太陽(yáng)能吸收性能和傳熱能力較好，因此，不少學(xué)者對(duì)納米流體的光學(xué)特性展開(kāi)實(shí)驗(yàn)和理論研究。Tran等［22］采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究了太陽(yáng)能光譜組成對(duì)水基石墨烯納米流體加熱和蒸發(fā)過(guò)程的影響。研究結(jié)果證實(shí)，水基石墨烯納米流體能吸收大范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，能有效把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能。陳星宇等［23］研究了散射納米流體對(duì)太陽(yáng)能吸收性能的影響，發(fā)現(xiàn)在水基Au納米流體加入具有強(qiáng)散射能力的TiO2顆粒，可以提升納米流體的吸收能力。雷暉等［24］采用實(shí)驗(yàn)的方法，研究了石墨烯?乙二醇納米流體在集熱器的不同光學(xué)邊界條件下的集熱性能。研究結(jié)果表明，在不同的光熱邊界下，納米流體具有不同溫度場(chǎng)及集熱效率；在加入石墨烯后，集熱器的集熱效率是純基液時(shí)的2倍。楊西茹等［25］對(duì)納米流體實(shí)際光學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，分析了納米流體的濃度、流速及光照強(qiáng)度對(duì)金納米棒流體光熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著光照強(qiáng)度的增加，納米流體出口溫度逐漸升高；隨著納米流體濃度增大，吸收量也會(huì)增大。王皓［26］針對(duì)非均一粒子系中的光譜輻射傳輸問(wèn)題和納米粒子沖蝕沉積問(wèn)題進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用微分-積分法比等效粒徑法計(jì)算具有非均一粒徑分布的納米粒子的光譜特性參數(shù)要更加準(zhǔn)確，更能反映實(shí)際納米流體光學(xué)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最大誤差從53.1%降低至3.8%。

通過(guò)對(duì)上述研究現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)，這些研究主要圍繞兩類問(wèn)題進(jìn)行：第一類是邊界層流動(dòng)問(wèn)題，根據(jù)與納米磁流體接觸壁面形狀，分為繞平板流動(dòng)［16］，繞豎直旋轉(zhuǎn)圓錐流［20］和繞曲面流動(dòng)；第二類是有限區(qū)域內(nèi)的納米磁流體流動(dòng)與傳熱問(wèn)題。

以上研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：①納米流體多樣化，從單一納米顆粒形成的納米流體，逐漸演變成多元納米顆粒形成的納米流體；②納米流體光學(xué)特性，不再局限于光學(xué)厚度，部分學(xué)者開(kāi)始研究納米流體的散射特性和吸收性能；③研究?jī)?nèi)容不斷擴(kuò)大與深入；④研究區(qū)域逐漸復(fù)雜，尤其是有限區(qū)域變化更加明顯，從簡(jiǎn)單的幾何區(qū)域，（如正方形和三角形等），逐漸演變?yōu)閮?nèi)部具有障礙物、環(huán)形區(qū)域的有限區(qū)域，并且外形變得多樣化，（如圖1所示）。

3 結(jié)論與展望

納米磁流體是由納米級(jí)磁性顆粒懸浮在基液中形成的，具有高表面積體積比和良好的熱傳導(dǎo)性能。在納米流體中，納米顆粒與流體分子之間的相互作用提高了流體的整體熱傳導(dǎo)性能。為優(yōu)化能源利用效率和開(kāi)發(fā)新型傳熱工質(zhì)，本研究對(duì)不同類型的納米顆粒及其光學(xué)特性對(duì)流動(dòng)和傳熱性能有不同影響，以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。

未來(lái)將從對(duì)以下方面進(jìn)行深入研究。首先，三元納米流體的傳熱效率相較于二元納米流體和普通納米流體擁有更優(yōu)異的傳熱性能，將遵循從簡(jiǎn)到難的技術(shù)路線，逐漸展開(kāi)對(duì)普通納米流體、二元和三元納米流體的研究；其次，大多學(xué)者對(duì)能量方程中的輻射源項(xiàng)部分都采用了Rossenland近似，不能分析吸收率和散射率對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響，然而這些參數(shù)非常重要，不可忽略。Sobhani等［27］分析納米顆粒及基液的容積輻射，但沒(méi)有考慮磁場(chǎng)也沒(méi)有分析壁面輻射特性的影響。相關(guān)文獻(xiàn)［22-26］研究了納米顆粒和納米流體的光學(xué)特性，即散射率和吸收率，但沒(méi)有考慮磁場(chǎng)的影響。基于上述情況，采用求解輻射傳遞方程來(lái)獲得能量方程中的輻射源項(xiàng)將成為研究重點(diǎn)。

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