磁控旋转圆柱与凹槽通道内Al2O3-Ag/水混合纳米流体混合对流强化传热与熵产分析

《South African Journal of Chemical Engineering》：Thermal performance of hybrid nanofluid mixed convective flow in a horizontal channel equipped with dimpled surfaces and rotating solid cylinder subjected to magnetic field: Sensitivity analysis

为提升凹槽通道内混合对流换热效率，研究人员开展了磁控旋转圆柱作用下Al2O3-Ag/水混合纳米流体的三维数值模拟研究。结果表明，提高圆柱转速（Cr）和纳米颗粒浓度（?）可显著增强努塞尔数（Nuav），而增强磁场（Ha）则抑制换热。该研究为高热流密度设备散热设计提供了新思路。

　　

在能源、电子冷却和化工等领域，高效的热管理技术是保障设备性能与可靠性的关键。传统散热方式已难以满足日益增长的高热流密度散热需求，开发新型强化传热技术迫在眉睫。凹槽通道作为一种被动的换热增强结构，能通过破坏流动边界层和诱导涡旋来强化换热。然而，单纯的被动强化效果有限。主动流动控制技术，如引入旋转圆柱，能主动扰动流场，有望进一步提升换热性能。与此同时，纳米流体，特别是由多种纳米材料复合而成的混合纳米流体，因其卓越的热物理性质，被视为极具潜力的下一代传热工质。当上述技术结合外加磁场时，流动与传热特性将变得更为复杂，其内在的协同作用机制与不可逆损失（熵产）尚不明确。为此，研究人员在《South African Journal of Chemical Engineering》上发表论文，通过数值模拟深入探究了在横向磁场作用下，凹槽通道内旋转圆柱对Al₂O₃-Ag/水混合纳米流体混合对流换热与熵产特性的影响。

本研究主要采用了有限元法（FEM）进行三维数值模拟。关键技术方法包括：利用响应面法（RSM）分析圆柱转速（Cr）、哈特曼数（Ha）和纳米颗粒体积分数（?）等多参数对平均努塞尔数（Nu_av）的交互影响；通过熵产分析量化流体摩擦、热传导及磁场作用导致的不可逆损失；并采用中心复合设计（CCD）进行参数优化，以确保计算结果的可靠性。

速度场与温度场分布

通过流线图分析发现，静止圆柱（Cr=0）时，流体在凹槽附近形成较弱涡旋。随着圆柱旋转加速（Cr增至20），流场被强烈扰动，在圆柱周围和凹槽区域形成强度显著增加的涡旋，最大流速提升超过1231%，极大地促进了流体混合与对流换热。等温线图显示，圆柱旋转使高温区域从加热表面被更有效地“冲刷”并带向主流，降低了固体表面温度，表明换热增强。三维模拟进一步揭示了复杂的螺旋状流线和温度分布，突出了三维效应的显著性。

关键参数对传热与流动的影响

研究系统评估了Cr、Ha和?对平均努塞尔数（Nu_av）、平均温度（θ_av）和熵产的影响。结果表明，Nu_av随Cr和?的增加而单调递增，最高可提升78.39%，但随Ha的增加而下降，最高降幅达9.15%。这是因为Cr增大加强了流体扰动，?提高增强了流体导热能力，而Ha增大会产生抑制流动的洛伦兹力。θ_av的变化趋势与Nu_av类似，但增幅更大（最高103.06%），表明系统整体换热能力提升。熵产分析显示，流体摩擦不可逆性（S_HFF）和热传导不可逆性（S_HHT）均随Cr和?增加而显著增强，而磁场不可逆性（S_HMF）则主要由Ha主导。贝贾数（Be）分析表明，在低Cr和高Ha条件下，热不可逆性占主导（Be>0.5）；而在高Cr和低Ha条件下，流体摩擦不可逆性成为主要因素（Be<0.5）。

响应面与敏感性分析

通过响应面法建立的二阶模型能准确预测Nu_av（R2=99.77%）。敏感性分析定量揭示了各输入参数对响应值的影响程度，其重要性排序为? > Ha > Cr。交互作用项（如Cr-Ha）的负效应表明参数间存在复杂的非线性耦合关系。

本研究得出结论，在凹槽通道内引入旋转圆柱并结合Al₂O₃-Ag/水混合纳米流体，是一种有效的复合强化传热策略。圆柱旋转产生的强制对流效应与纳米流体增强的导热性能协同作用，显著提升了换热效率。然而，外加磁场在抑制流动的同时也增加了系统的不可逆损失。因此，在实际应用中需权衡传热强化与能耗（熵产）之间的关系，通过优化操作参数（如Cr、?和Ha）来实现系统性能的最优配置。该研究为高热流密度设备的散热设计提供了重要的理论依据和优化方向。