Ti6Al4V–ZnO 混合纳米流体中的热质传输及 Cattaneo–Christov 热通量效应：对混合纳米流体辅助热疗的启示

《Results in Surfaces and Interfaces》：Thermal and Mass Transport in Ti6Al4V–ZnO Hybrid Nanofluid with Cattaneo–Christov Heat Flux: Implications for Hybrid nanofluid-assisted hyperthermia

　　

热工程与纳米技术的发展为癌症治疗开辟了新路径，其中混合纳米流体辅助热疗可通过局部加热精准破坏病变细胞并保护健康组织。基于氧化物与金属纳米颗粒在血液中的优异热调控与靶向递送潜力，研究人员针对(Ti6Al4V-ZnO)/血液混合纳米流体开展热质传递特性研究，以提升纳米技术辅助癌症热疗的性能与控制精度。研究采用Oldroyd-B流体模型，引入非线性辐射效应，并在悬浮液中加入微生物以增强混合纳米流体的稳定性。能量方程基于Cattaneo–Christov热通量模型，考虑热弛豫效应，同时纳入化学反应作用；温度场分析采用对流边界条件。通过无量纲化处理，将控制方程转化为非线性常微分方程组，并采用打靶法数值求解。结果对比了单一纳米流体与混合纳米流体在不同参数下的响应，并结合物理机制进行阐释。图形结果显示，在设定参数范围内，(Ti6Al4V-ZnO)/血液混合纳米流体的温度分布随纳米颗粒体积分数与温度比参数增加而升高，有助于在肿瘤区域实现41–45°C的治疗性热疗温度区间。

本研究由Faisal Mahroogi、Mohamed Arbi Khlifi与Iskander Tlili完成，发表于《Results in Surfaces and Interfaces》。研究背景聚焦于热工程与纳米技术在能源系统与生物医学领域的快速发展，尤其是混合纳米流体在肿瘤热疗中的应用潜力。传统单一纳米流体在热传导增强与稳定性方面存在局限，而混合纳米流体通过两种及以上不同类型纳米颗粒的协同效应，可显著提升热物性与流动性能。然而，在血液基体系中引入混合纳米流体并应用于人体肿瘤热疗时，需兼顾热传递效率、流动可控性及生物安全性，这要求在微尺度热传递模型中考虑有限热传播速度与非线性辐射效应。为此，研究人员选择钛合金(Ti₆Al₄V)与氧化锌(ZnO)纳米颗粒分散于人血，构建混合纳米流体体系，并加入微生物以改善悬浮稳定性，采用改进的Cattaneo–Christov热通量模型替代传统傅里叶定律，以反映热弛豫特征，同时纳入磁场作用、非线性辐射及化学反应效应，旨在揭示其在肿瘤热疗过程中的热质传递规律。

关键技术方法包括：构建稳态不可压缩Oldroyd-B血液基混合纳米流体流动模型，引入磁流体动力学(MHD)作用，采用Cattaneo–Christov热通量模型描述非傅里叶传热，结合非线性辐射与化学作用；通过无量纲化将控制方程转化为常微分方程组，并使用打靶法(Shooting Method)进行高精度数值求解，收敛精度达10^-5；对比单一纳米流体(Ti₆Al₄V/血液)与混合纳米流体在相同条件下的热质响应，验证数值结果的稳定性与可靠性。

研究结果如下：

1. 流动约束与控制方程

研究人员建立了笛卡尔坐标系下的二维稳态流动模型，涵盖连续性方程、动量方程、能量方程与浓度方程，并引入热弛豫时间与浓度弛豫时间参数。边界条件采用对流换热与浓度边界层假设。无量纲化后，定义了哈特曼数(Hartmann Number, Ha)、德博拉数(Deborah Number, De)、普朗特数(Pr)、热弛豫参数(λ)、辐射参数(Rd)、温度比参数(θ_w)、浓度弛豫参数(γ)、施密特数(Sc)、化学反应参数(K_c)与毕渥数(Bi)等无量纲参数。

2. 混合纳米流体热物性

依据已有实验数据，计算了混合纳米流体与单一纳米流体的密度、热容、动力黏度、电导率与热导率等热物性参数，发现混合纳米流体在热导率与热容方面均优于单一纳米流体，有利于提升热传递效率。

3. 结果与物理阐释

速度分布受松弛时间参数(β)抑制，因流体弹性增强导致变形阻力上升；而迟滞时间参数(γ₁)则促进流速增加，因黏性阻力减弱。哈特曼数的增大通过洛伦兹力(Lorentz Force)抑制流动，有助于热疗过程中对血流的可控调节。温度分布在辐射参数(Rd)与温度比参数(θ_w)增加时显著升高，且在混合纳米流体中增幅更大，有助于在肿瘤区快速达到治疗温度。热弛豫参数(λ)的增加会延缓温度上升，利于温控精确性。纳米颗粒体积分数(φ₁、φ₂)的提升显著增强热传递，使混合纳米流体更适合维持41–45°C的热疗窗口。浓度分布在浓度弛豫参数(γ_c)增大时下降，而化学反应参数(K_c)的增大加速溶质消耗，降低浓度水平。

4. 努塞尔数与舍伍德数分析

努塞尔数(Nu)随辐射参数(Rd)增大而提高，表明辐射可增强表面换热能力。舍伍德数(Sh)随施密特数(Sc)增加而上升，说明质量传递在磁场作用下得到加强。

结论与讨论

研究证实，Ti₆Al₄V–ZnO/血液混合纳米流体相比单一纳米流体具有更高的热导率与更好的温度调控性能，能够在肿瘤区域稳定维持41–45°C的治疗温度区间。热弛豫效应与辐射作用为热疗过程的温度控制提供了额外自由度，而磁场调控流动速度可在保证治疗效果的同时减少对健康组织的热损伤。该成果为混合纳米流体在精准肿瘤热疗中的应用提供了理论基础与数值参考，并展示了其在生物医用热管理领域的潜在价值。