熱輻射和磁場對納米磁性流體自然流動影響的研究現狀

羅小紅

摘 要：納米磁性流體是一類特殊的納米流體，它廣泛應用于生物醫學、光電信息和可再生能源等領域。納米磁性流體逐漸成為輻射磁流體力學的研究熱點之一。本文介紹了熱輻射和磁場對納米磁性流體流動與傳熱影響的研究現狀，并指出了不足之處。

關鍵詞：熱輻射;磁場;納米磁性流體

中圖分類號：TK121 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0117-03

Research Status of the Influence of Thermal Radiation and Magnetic

Field on the Natural Flow of Nano Magnetic Fluid

LUO Xiaohong

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022）

Abstract： Nano magnetic fluid is a special kind of nanofluid， which is widely used in biomedicine， photoelectric information and renewable energy. Nano magnetic fluid has gradually become one of the research hotspots of radiation magnetohydrodynamics. This paper introduced the research status of the effects of thermal radiation and magnetic fields on the flow and heat transfer of nano-magnetic fluids， and pointed out the shortcomings.

Keywords： thermal radiation;magnetic field;nano-magnetic fluid

納米流體作為一種新型工質，在強化傳熱領域（航天器熱控制、發動機冷卻、核能系統和制冷系統等）和可再生能源利用領域（太陽能光催化制氫、太陽能集熱器和太陽能直接蒸發器等），減阻潤滑和生物醫學以及儲能等領域得到了廣泛應用，如圖1所示[1-4]。作為一種特殊納米流體，納米磁性流體備受人們關注，隨著研究的不斷深入，其應用范圍不斷拓展，廣泛應用于國民經濟的各個領域。

1 納米磁性流體概述

納米磁性流體是一類特殊的納米流體，它既具有固體物質的磁性，又具有液體的流動特性。當有外加磁場作用時，它既可以被控制、定位和移動，又能起到強化傳熱作用，同時納米粒子的分布結構特征會發生變化，使得納米磁性流體的光學性質產生變化。因此，近年來，納米磁性流體在現代工業中的一些高新技術領域，如生物醫學、可再生能源、光電信息等領域得到廣泛的應用[5-7]。以上提到的領域均有高溫出現，納米磁性流體逐漸成為輻射磁流體力學的研究熱點之一。因此，開展此基礎理論研究具有重要的應用價值和科學意義。

2 國內外研究現狀

目前，國內外關于熱輻射和磁場對納米磁性流體流動與傳熱影響的研究以數值方法和理論分析為主，試驗方面甚少。下面簡單地介紹國內外研究現狀。

在外加橫向穩恒磁場和熱輻射的情況下，Rashidi等人研究了不可壓縮黏性納米流體流過半無限大拉伸平板時的二維穩態層流問題[8]。該研究以水為基液，以Cu和CuO為納米顆粒。結果發現，隨著輻射參數的增加，表面摩擦系數增加，Nu數降低。

在有對流和擴散邊界條件下，Ramana等人研究了旋轉系統內，納米流體流過多孔介質移動的豎直平板時化學反應、熱輻射、磁場、納米顆粒形狀和體積份額對非穩態對流的影響[9]。該研究考慮兩類納米流體，即Ag-水和TiO2-水。研究結果表明，輻射和磁場都有減弱摩擦系數的趨勢;球形納米顆粒比圓柱形納米顆粒能更好地強化傳熱;Ag-水納米流體比TiO2-水納米流體傳熱能力強。

Kothandapani和Prakash在考慮布朗運動和熱遷移的情況下，研究了納米流體通過二維錐形非對稱通道多孔介質時熱輻射和磁流體力學對蠕變流動的影響[10]。研究發現，隨著輻射參數的增加，蠕變率增加。

Nayak等人研究了Cu-水納米流體通過線性拉伸平板時橫向磁場和熱輻射對納米磁性流體的三維自然流動影響[11]。研究發現，輻射參數的增加會導致平板表面傳熱速度減小。

Sheikholeslami在有熱輻射的情況下，研究了具有傾斜橢圓內圓筒的腔體內磁場對Fe3O4-水納米磁性流體流動與傳熱問題的影響[12]。其間分別研究了內圓筒的傾斜角度、Ra數、Ha數、輻射參數及水基Fe3O4納米流體不同體積份額對Nu數、流場和溫度的影響。研究結果表明，隨著浮升力和輻射參數的增加，傳熱加強，隨著洛倫茲力的增加，傳熱反而受到抑制。

與國外學者相比，國內學者關于熱輻射和磁場對納米磁性流體流動與傳熱影響的研究很少。在有納米顆粒組分存在的情況下，北京科技大學Zhu等人研究了二階速度滑移和溫度階躍的邊界條件對磁流體流動與傳熱的影響，其間分別對Cu-水和Al2O3-水納米流體進行了研究，并探討了布朗運動、熱遷移、熱輻射對流動與傳熱的影響[13]。Zheng等人研究了納米流體流過多孔飽和介質內拉伸表面時速度滑移和溫度階躍對納米駐點流動和輻射傳熱的影響，探討了速度滑移、溫度階躍、熱輻射等參數對速度場和溫度場的影響[14]。

3 不足之處

目前，關于熱輻射和磁場對納米磁性流體流動與傳熱影響的研究還存在以下不足。一是針對輻射源項的處理，大部分研究者采用Rosseland近似進行簡化處理來獲得輻射參數[9-14]，該近似對光學厚度有很好的精度，但不能準確分析介質的其他輻射特性參數（如吸收率、散射率）對自然對流的具體影響。然而，這些參數的影響非常重要，不能忽略，所以有必要求解輻射傳遞方程。二是目前大部分研究是關于邊界層的，有限區域內的研究較少。

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