电渗驱动非牛顿纳米流体在可变电热滑移边界下的蠕动传输：多物理场建模与热质强化机制

《Chinese Journal of Physics》：Electrokinetically Driven Peristaltic Transport of Jeffrey Nanofluid with Slip Effects and Non-Uniform Zeta Potential

本研究针对复杂流体在微通道中的高效传输与控制难题，探讨了在可变电热滑移边界、多孔介质及磁场耦合作用下，Jeffrey纳米流体的电渗蠕动流动。研究人员通过建立多物理场模型，揭示了电渗参数、滑移效应、热传导特性及纳米粒子布朗运动与热泳对流动、传热传质的协同调控机制。结果表明，电渗效应与速度滑移可显著增强流体输运，而可变热导率与粘弹性则优化了温度分布与能量耗散。该研究为微流控器件、靶向给药及生物医学工程中的精准流体操控提供了理论依据与新策略。

　　

在微流控技术、生物医学工程和高效换热系统等领域，对复杂流体在微纳尺度通道中的可控传输与热质管理提出了极高要求。传统的压力驱动流动存在能耗高、控制精度有限等瓶颈。电渗效应（Electroosmosis），作为一种利用外加电场驱动电解质溶液流动的机制，因其具有流场均匀、无活动部件、易于精密控制等优点，展现出巨大应用潜力。特别是当电渗效应与周期性壁面变形产生的蠕动泵送（Peristalsis）相结合时，能够实现对流体更灵活、高效的输运与混合。然而，实际应用中涉及的流体往往是非牛顿流体（如血液、聚合物溶液等），其本构关系复杂，并且流体中常含有纳米颗粒以增强传热或承载药物，这使得流动与传热传质过程涉及多物理场（流场、电场、温度场、浓度场、磁场）的强烈耦合。此外，通道壁面的物理化学性质（如Zeta电位、滑移效应）、流体的变物性（如温度依赖的粘度和热导率）以及外部场（如磁场）的引入，都使得整个物理图像异常复杂，对现有理论模型和数值模拟提出了严峻挑战。理解并量化这些多场耦合效应，对于设计高性能的微流控器件、实现高效的靶向给药及癌症热疗等先进生物医学应用至关重要。

为了深入揭示上述多物理场耦合作用下的流动与传热传质规律，研究人员在《Chinese Journal of Physics》上发表了题为“Electroosmotic peristal transport of Jeffrey nanofluid with variable thermo-physical properties under electro-thermal and velocity slip conditions”的研究论文。该研究建立了一个综合数学模型，系统分析了在存在横向磁场、多孔介质、可变粘度、可变热导率、速度滑移与热滑移边界条件下，Jeffrey型非牛顿纳米流体的电渗蠕动流动。研究的关键在于通过数学建模量化了电渗参数、Hartmann数（H_r）、Darcy数（Da）、Grashof数（G_r, G_c）、布朗运动参数（N_b）、热泳参数（N_t）、滑移参数（β₁, β₂）以及流体弛豫时间参数（λ₁）等众多无量纲参数对流速、温度、浓度分布以及流线（流体轨迹）的深刻影响。

本研究主要采用了连续介质理论和无量纲化方法构建控制方程，并应用同伦摄动法（Homotopy Perturbation Method, HPM）这一有效的半解析工具求解耦合的非线性偏微分方程组。该方法通过构造同伦函数，将非线性问题转化为一系列线性问题的求解，从而获得了流速、温度和浓度分布的近似解析解。通过设定合理的边界条件（如二阶速度滑移和一阶热滑移），模型捕捉了壁面附近的复杂输运行为。所有符号运算和递归系数求解均在Mathematica中完成，确保了计算的精确性。

速度场对关键参数的响应

研究发现，流速分布强烈依赖于电渗、滑移、磁效应及浮升力等参数。增大壁面Zeta电位（ζ₁, ζ₂）会增强电渗驱动效应，导致近壁区流速显著增加，流速剖面峰值升高且更靠近通道中心。速度滑移参数（β₁）的增大有效降低了壁面摩擦，使近壁流速增加，整体流速分布更为平坦。热Grashof数（G_r）和溶质Grashof数（G_c）的增大，通过增强热浮升力和溶质浮升力，显著提升了流速峰值，表明温度梯度和浓度梯度产生的自然对流对流动有强化作用。然而，Hartmann数（H_r）的增大，由于洛伦兹力的阻滞效应，会压制整体流速，使流速剖面变得扁平。Jeffrey流体的弛豫时间参数（λ₁）和变粘度参数（α₁）也显著影响流速，流体的弹性效应（λ₁增大）和温度升高导致的粘度降低（α₁增大）均有利于流动的加速。

温度和浓度场对关键参数的响应

温度和纳米粒子浓度分布受热泳、布朗运动、粘性耗散及变物性等因素调控。布朗运动参数（N_b）的增大会增强纳米粒子的随机运动，促进了热扩散，导致流体温度整体升高，但同时由于粒子更充分的分散，局部纳米粒子浓度有所降低。热泳参数（N_t）的增大强化了纳米粒子从高温区向低温区的迁移，这不仅显著提升了温度场的非均匀性（温度梯度增大），也导致纳米粒子在通道某些区域聚集，在另一些区域稀化，浓度分布发生显著变化。Prandtl数（P_r）和Brinkmann数（B_r）的增大，分别由于流体动量扩散能力相对热扩散能力减弱以及粘性耗散产热增强，都导致了流体温度的显著上升。特别值得注意的是，热滑移参数（β₂）的增大，以及变热导率参数（β）的增大，都有效地降低了通道内的温度水平，这表明增强壁面热跳跃和改善流体的导热性能是控制微通道内温升、避免局部过热的有力手段。

流线可视化与流体捕获现象

通过流线图可以直观观察流体微团的运动轨迹和可能的流动分离、涡旋（捕获bolus）形成。研究表明，壁面Zeta电位（ζ₁）的增大会使电渗效应增强，导致流线更加密集，捕获涡旋区域缩小并向通道中心移动，增强了流体的混合。电渗滑移速度参数（U_hs）对流场结构影响显著，其值的变化可以改变涡旋的大小甚至导致其消失，说明电渗滑移是调控流动结构（如抑制或促进涡旋）的关键因素。相比之下，变热导率参数（β）对流线形态的影响相对较弱，主要表现为捕获涡旋大小和形状的细微变化，这反映了热场对流场的耦合主要通过改变物性实现，其直接影响弱于动量作用。

本研究通过建立一个综合的多物理场模型，系统阐明了在复杂边界条件和外部场作用下，Jeffrey纳米流体电渗蠕动流动的丰富物理现象。研究结论强调，电渗效应、速度与热滑移边界、流体的非牛顿特性（粘弹性）和变物性、以及纳米粒子的布朗运动与热泳效应，共同构成了调控微通道内流动、传热与传质行为的核心机制。这些因素之间存在强烈的非线性耦合关系，例如，电渗与滑移协同增强流体输运，而磁场则提供了一种有效的流动控制“闸门”；变热物性参数（α₁, β）为热管理提供了新的维度；纳米效应的引入（N_b, N_t）则深刻改变了温度和浓度的分布特性。

该研究的重要意义在于，其建立的模型和获得的结果不仅深化了对微纳尺度多场耦合流动的理论认识，而且为先进微流控器件（如芯片实验室、生物传感器）、高效微换热系统、以及精准药物输运系统（如靶向给药、癌症热疗）的设计与优化提供了坚实的理论依据和定量预测工具。通过精确调控电渗参数、滑移条件、外部磁场和流体组成，可以实现对微通道内流体流动、热量传递和物质输运的精准、高效操控，在生物医学、化学分析和能源技术等领域具有广阔的应用前景。