热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的研究现状

罗小红

（吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022）

1 纳米磁流体概述

纳米流体作为一种新型工质，在强化传热领域（航天器热控制、发动机冷却、核能系统和制冷系统等）和可再生能源利用领域（太阳能光催化制氢、太阳能集热器和太阳能直接蒸发器等）[1]，减阻润滑[2]和生物医学[3]以及储能[4]等领域得到了广泛应用。

纳米磁流体是一类特殊的纳米流体，它既具有固体物质的磁性，又具有液体的流动特性。当有外加磁场作用时，它可以被控制、定位、定向和移动，也起到强化传热作用，同时，纳米粒子的分布结构特征会发生变化，使得纳米磁流体的光学性质会发生变化[5]。近年来，纳米磁流体在现代工业中的一些高新技术领域，如可再生能源[5]、生物医学[6]、光电信息[7]等领域得到了广泛的应用。以上提到的领域均涉及高温，因此，纳米磁流体也逐渐成了辐射磁流体力学的研究热点。纳米磁流体在以上新技术和前沿技术领域的应用，普遍都涉及纳米磁流体的动力学特性、热力学特性和光学特性等。开展热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的基础理论研究具有重要的应用价值和科学意义。

2 研究内容现状

目前，国内外关于热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的研究中主要围绕两类问题进行：第一类是边界层流动问题，根据与纳米磁流体相接触的物体壁面形状，流动又可分为绕流平板边界层流动[8-11]、绕流楔型物体边界层流动[12]和绕曲面物体边界层流动；第二类是有限区域内的纳米磁流体流动问题。

不论是上述哪一类问题，呈现以下特点：研究内容不断深入与扩大，不仅包括流动、传热、表面辐射、介质辐射、传质，甚至还包括布朗运动、热迁移、热泳、欧姆热等多种物理现象的耦合。

3 研究方法现状

由于热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的问题涉及热辐射场、磁场、温度场和流场等多种物理场及其耦合，实验方法很难同时精确描述影响纳米磁流体流动与传热的诸多因素，而数值方法就很直观通过流场、温度场，采用图和表的形式，表达出辐射对纳米磁流体流动与传热影响的机理。目前，针对热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的研究仍以数值方法和解析法为主。

解析法包括：微分变换法、Laplace分解法和同伦分析法等。同伦分析法是廖世俊教授[13]于1992年提出的用于求解非线性方程的方法，由于该方法可以控制和调节级数解得收敛区间和收敛速度，确保级数解的收敛性。因此大部分学者采用此法来求解热辐射对纳米磁流体流动与传热的边界层问题，比如Hayat等[10]在具有非线性热辐射作用下，采用同伦分析法研究了纳米流体流过拉伸表面时驻点流动，他们研究发现非线性辐射很大时，会导致纳米流体温度升高。

除了解析法外，数值方法也是求解热辐射对纳米磁流体流动与传热问题的主要方法。大部分学者采用打靶法迭代确定边界条件，然后采用Runge-Kutta-Gill法或者Runge-Kutta法求解。比如，Anbuchezhian等[11]在有太阳能辐射导致变流量条件存在的前提下，对不可压缩黏性纳米流体流过多孔竖直拉伸平板时磁流体自然对流和传热进行了理论研究。作者们采用李群变换将偏微分方程转换为常微分方程，最后采用Runge-Kutta-Gill法和打靶法求解。还有学者采用有限差分法[8]、Keller-Box法[9]等。

4 存在的不足

关于热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的研究还存在以下不足：（1）针对辐射源项的处理，大部分研究者[8-12]采用Rosseland近似进行简化处理来获得辐射参数，但该近似在光学厚度方面有很好的精度，但不能准确分析介质的其他辐射特性参数如吸收率、散射率对流体流动与传热的具体影响；不能分析壁面辐射特性参数如黑度、反射率等的影响。然而，这些参数的影响非常重要，不能忽略，所以有必要求解辐射传递方程。但采用求解辐射传递方程来获得能量方程中的辐射源项的研究较少。（2）关于热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热数值研究的报道大部分都是边界层流动与传热问题，关于有限区域内的研究报道很少。