方腔內納米磁性流體自然對流的研究現狀

羅小紅 齊美娜

摘? ?要：納米磁性流體是由具有納米級的強磁性顆粒高度彌散于基液之中形成的穩定膠體體系，既具有磁性固體物質的性質，又具有液體的流動特性，是一種新型的磁性功能材料，廣泛地應用于各個領域，比如能源、航空航天和生物醫學等。因此，針對方腔內納米磁性流體自然對流的研究現狀進行了介紹。

關鍵詞：納米磁性流體;流動;傳熱;方腔

方腔內的自然對流換熱被廣泛地應用在不同領域，如建筑物的加熱與冷卻、雙層玻璃窗、核反應堆、電子元件冷卻以及各種各樣的熱力系統等[1]，國內外學者對此展開了廣泛、深入的理論與實驗研究。在自然對流換熱問題研究中，由于傳統傳熱流體的導熱系數低，限制了自然換熱強度的提高。1995年，Choi[2]提出了納米流體的概念，利用納米流體強化傳熱得到各國學者的關注，并開展了大量的研究工作。

納米磁性流體是一種特殊的納米流體，它是由具有納米級的強磁性顆粒（如Cu、CuO、Al2O3和TiO2等金屬或者金屬氧化物）高度彌散于基液（水、乙二醇和油等）之中形成的穩定膠體體系，既具有磁性固體物質的性質，又具有液體的流動特性，是一種新型的磁性功能材料。納米磁性流體應用非常廣泛，比如能源、電子、國防軍工、航空航天、化工環保、冶金機械、儀器儀表、生物醫學等方面，效果十分顯著[3-4]。納米磁性流體也逐漸成了磁流體力學的研究熱點。因此，開展方腔內納米磁性流體自然對流的基礎理論研究具有重要的應用價值和科學意義。

1? ? 納米磁性流體自然對流研究現狀

由于納米磁性流體廣泛地應用于不同的領域，備受各國學者的青睞。目前，大部分都是關于邊界層問題的研究，關于方腔的研究不多。方腔內納米磁性流體自然對流問題的研究主要集中在實驗和數值模擬兩個方面，但是實驗研究甚少，因此本研究主要講述數值模擬部分。大部分學者將納米磁性流體視為一種混合均勻的單相流體，將原來純流體的質量方程、動量方程和能量方程應用在納米磁性流體上，對于所涉及的物理參數直接采用納米磁性流體的相應參數。同時，也有部分學者采用兩相法來研究納米磁性自然對流問題。

方腔內納米磁性自然對流問題的研究呈現以下特點：（1）研究幾何形狀、邊界條件以及維數的變化，由簡單的方腔逐漸變為棱形方腔、梯形方腔，并且方腔內出現障礙物及多孔介質一類;邊界條件由豎直壁面保持恒溫、上下壁面絕熱，逐漸演變為豎直壁面溫度的邊界條件發生變化，并在壁面出現熱源;上壁面出現驅動現象;方腔的維數從二維延展到三維（見圖1）。（2）研究介質也呈現多樣化趨勢，由不可壓縮牛頓流體擴展到非牛頓流體。（3）研究磁場方向的變化，由水平磁場逐漸變為傾斜磁場，有些文獻指出出現了磁場源[4]。（4）研究內容逐漸深入和不斷擴展，不僅有流動、傳熱、傳質等特點，還有納米磁性流體的穩定性、布朗運動、熱泳、熵產和輻射等物理現象的耦合。

方腔內納米磁性自然對流問題數值模擬的研究方法主要是數值方法，比如有限元法[5]、有限容積法[6]、有限差分法[7]和格子Boltzman方法[8]等。其中，輻射主要是以源項的形式出現在能量方程中，采用Rosseland近似處理。然而，Rosseland近似具有一定的局限性，有很好的光學厚度精度，但不能準確分析壁面輻射特性參數如黑度、反射率等的影響，這也是目前研究中存在的不足之處。

2?   結語

方腔內納米磁性流體自然對流問題，一直備受國內外學者的關注，也是研究的熱點。本課題對從方腔的幾何形狀、邊界條件和維數的變化，研究介質、磁場方向、內容以及方法等方面對方腔內納米磁性流體流動與傳熱的研究現狀進行了分析。

[參考文獻]

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[8]SHEIKHOLESLAMI M，SHEHAZD S A.Magnetohydrodynamic nanofluid convective flow in a porous enclosure by means of LBM[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017（113）：796-805.