在旋转锥盘标准间隙中，受磁场、辐射和焦耳热效应影响下的混合纳米流体流动的热量和动量调制

《Journal of Molecular Liquids》：Thermal and momentum modulation of hybrid nanofluid flow under magnetic, radiative and Joule heating effects in a rotating cone-disk canonical gap

　　L. Joseph Sademaki | J. Manoj Kumar | B. Prabhakar Reddy
应用科学与社会科学系，阿鲁沙技术学院，邮政信箱296，阿鲁沙，坦桑尼亚

摘要
在旋转盘-锥形间隙中，混合纳米流体的磁热传输表现出一种独特的流动特性：几何形状的约束和旋转作用引发了轴向-径向的耦合运动，而混合纳米颗粒显著增强了紧凑型旋转系统中的表面温度控制能力。本研究探讨了在热源、焦耳加热和辐射作用下的锥形间隙内混合纳米流体的热优化行为及其流动特性。具体考虑了四种情况：（i）旋转盘和静止锥体；（ii）静止盘和旋转锥体；（iii）盘和锥体同向旋转；（iv）盘和锥体反向旋转。本研究中的混合纳米流体由磁性铁氧体Fe3O4和铜Cu纳米颗粒组成，基础流体为水。采用Keller-Box方法求解相关常微分方程（ODEs）。通过图表和表格展示了所有四种情况下速度场、温度场、摩擦系数和努塞尔数的变化，并进行了讨论。研究结果表明，在盘和锥体同向旋转且角速度不同时，辐射效应会导致轴向和径向速度增加；而在磁场强度较大或纳米颗粒浓度较高时，这两种速度会减小。在情况（i）和情况（ii）中，径向速度随温度指数增加而增强，但在情况（ii）和情况（iv）中则减弱。当盘和锥体以不同角速度同向旋转时，温度场显著升高；在情况（ii）中热场增强，而在其他三种情况下则减弱。在情况（iii）中，锥体和盘表面的径向摩擦减小，而在其他三种情况下则增大。在所有四种情况下，锥体和盘表面的努塞尔数随径向指数增加而显著升高。值得注意的是，混合纳米流体的速度和温度场均高于纯纳米流体。

引言
近年来，关于混合纳米流体在锥形几何结构上的流动研究受到了广泛关注，因为它们在热管理系统中具有重要的应用价值。锥体的独特形状促进了边界层的有效形成，结合了混合纳米流体的优异导热性能，从而提高了热传递效率。这类研究在能源效率、航空航天鼻锥冷却、锥形换热器、太阳能接收器和化学反应器等领域具有实际意义。Hanif等人[1]研究了磁场对混合纳米流体流动的影响，发现磁相互作用显著提高了热传递速率。Turkyilmazoglu[2]研究了静止和旋转状态下锥体与盘之间的流体传输和热流动，提供了精确的半解析结果。在此基础上，Gul等人[3]探讨了CNT基纳米流体在旋转锥盘结构中的运动，证明了纳米颗粒的加入显著改善了热传递效果。Hussain等人[5]研究了三维旋转锥体问题，发现混合纳米颗粒的分布显著增强了热传输特性。Alrabaiah等人[6]研究了含有旋向性微生物的混合纳米流体在旋转盘-锥体配置中的稳态流动，发现热场和浓度场稳定。Abdul Hakeem等人[7]研究了带有内部热生成的旋转锥体系统中的磁流体对流流动，发现温度分布受磁场强度和热参数显著影响。Batool等人[8]分析了界面纳米层效应对多孔旋转锥体中辐射Casson混合纳米流体流动热行为的影响。Barakat等人[9]利用人工神经网络（ANN）模型预测了混合纳米流体在盘-锥体机制中的迁移变化，结果与数值模拟结果吻合良好。Rao和Deka[10]研究了化学反应作用下垂直锥体内的辐射MHD混合纳米流体流动，发现热传递速率提高。Mishra等人[11]对旋转垂直锥体结构中的混合纳米流体传输进行了统计分析，证实混合悬浮液具有最佳的热性能。Hakeem等人[12]研究了横向磁场对牛顿流体和非牛顿流体在垂直旋转锥体上流动的影响。Alshehry等人[13]评估了从锥形表面和楔形几何结构流出的磁化混合纳米流体流动，发现热性能显著提升。

热辐射是指通过电磁波进行的热传递，无需物理介质，在高温下尤为显著。在MHD混合纳米流体系统中，辐射效应影响能量传输、流体运动和温度分布。这种现象在再入飞行器、太阳能收集器、核反应器和高温制造等应用中至关重要。Shoaib等人[14]计算了旋转拉伸引起的磁化混合纳米流体流动，发现辐射热传递显著增强。Zainal等人[15]研究了通过多孔介质的旋转表面流动的MHD驱动混合纳米流体，发现辐射能量传输在提高热强度方面起着重要作用。Waqas等人[16]研究了旋转盘中的辐射混合纳米流体流动，发现电磁控制机制显著影响流体动力稳定性和热扩散。Ali等人[17]研究了在空间变化的热载荷下，混合纳米流体沿变形圆柱表面的流动，发现辐射通量和非均匀表面加热显著改变了温度梯度。Hussain等人[18]评估了磁场和热辐射对SWCNT–MWCNT渗透混合纳米流体的协同影响，发现热传递显著增强，证实其适用于核热系统和电子冷却架构。Jamshed等人[19]全面分析了铜-铁（II, III）/氧化物发动机油Casson纳米流体在抛物面槽式太阳能收集器中的热和流动特性，发现其在不同物理条件下的热传输性能得到提升。Shahzad等人[20]将研究扩展到太阳能驱动船舶应用中的Oldroyd混合纳米流体，表明抛物面槽式太阳能收集器的热效率得到提升。Alkathiri等人[21]利用Galerkin有限元方法研究了抛物面槽式太阳能收集器中二元纳米流体的热分布，为可再生能源系统提供了详细的计算框架。Ouni等人[22]分析了太阳能水泵系统中的铜-金/发动机油混合纳米流体传输，发现热性能显著提升，具有实际应用价值。Islam等人[23]研究了在辅助和反向流动条件下，带有热辐射的垂直表面上的双扩散停滞点流动，发现热和溶质传输得到改善。Lone等人[24]研究了平面基底上混合微极化纳米流体的辐射混合对流，发现其具有优异的热调节性能，适用于生物医学热疗和微尺度流体设备。Asghar等人[25]讨论了三维磁化旋转混合纳米流体流动中的辐射效应，发现结果对高速旋转机械和太阳能驱动热系统非常有用。Vijay和Sharma[26]对包含辐射和化学动力学的MHD混合纳米流体运动进行了不可逆性分析，对热力学优化和工艺工程设计具有重要意义。

数学模型
考虑在焦耳加热和辐射作用下，锥体-盘锥形间隙内稳定的不可压缩热传导磁流体混合纳米流体传输。本研究中的混合纳米流体由Fe3O4和Cu两种球形纳米颗粒与水基础流体混合而成，假设颗粒在基础流体中均匀分散，颗粒间相互作用可忽略，且无滑移条件。

结论
尽管混合纳米流体的磁流体动力学流动已得到广泛研究，但辐射、施加的磁场、内部热生成和焦耳加热对锥盘旋转系统锥形间隙内混合纳米流体传输的影响尚未得到充分评估，特别是这些因素在稳定复杂几何结构旋转系统中的热能方面的作用。本研究旨在通过探讨辐射、磁场和焦耳加热效应对混合纳米流体在锥形间隙内热生成和传输的影响来填补这一空白。通过应用适当的相似性变量，将流动模型的控制偏微分方程（PDEs）转化为常微分方程（ODEs），并利用Keller-Box数值方法有效求解。该模型适用于广泛的科学和工程应用，包括能量转换系统、空间技术、食品保存与加工、先进材料生产、天体物理传输、生物医学工程和能量回收。结果与讨论
我们专门用这一节来全面评估在锥形间隙内旋转锥盘机制的四种情况下，混合Fe3O4+Cu?H2O和Fe3O4?H2O纳米流体的速度和热场性能，以及这些性能如何受到相关关键参数的影响。为了求解模型的非线性常微分方程（ODEs），我们采用了高效的Keller-box方法，并将数值结果以图表形式呈现。显然，图2、图3、图4和图5展示了轴向速度分布。

结论
我们研究了在具有热辐射、焦耳加热和热源的锥形间隙内，混合纳米流体流动的动量和热行为，共涵盖了四种情况：(i) 旋转盘和静止锥体，(ii) 静止盘和旋转锥体，(iii) 锥体和盘体共转，以及(iv) 锥体和盘体反向旋转。本研究中的混合纳米流体包含磁性铁氧体和铜纳米颗粒，基液为水。最终得到的常微分方程……

CRediT作者贡献声明
L. Joseph Sademaki：撰写初稿、可视化处理、验证、方法论研究、数据分析、概念构建。
J. Manoj Kumar：撰写修订稿、可视化处理、验证、监督、项目管理、数据分析、概念构建。
B. Prabhakar Reddy：撰写初稿、可视化处理、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、数据分析、概念构建。

资金声明
无。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。