方腔内纳米磁性流体自然对流的研究现状

罗小红 齐美娜

摘   要：納米磁性流体是由具有纳米级的强磁性颗粒高度弥散于基液之中形成的稳定胶体体系，既具有磁性固体物质的性质，又具有液体的流动特性，是一种新型的磁性功能材料，广泛地应用于各个领域，比如能源、航空航天和生物医学等。因此，针对方腔内纳米磁性流体自然对流的研究现状进行了介绍。

关键词：纳米磁性流体;流动;传热;方腔

方腔内的自然对流换热被广泛地应用在不同领域，如建筑物的加热与冷却、双层玻璃窗、核反应堆、电子元件冷却以及各种各样的热力系统等[1]，国内外学者对此展开了广泛、深入的理论与实验研究。在自然对流换热问题研究中，由于传统传热流体的导热系数低，限制了自然换热强度的提高。1995年，Choi[2]提出了纳米流体的概念，利用纳米流体强化传热得到各国学者的关注，并开展了大量的研究工作。

纳米磁性流体是一种特殊的纳米流体，它是由具有纳米级的强磁性颗粒（如Cu、CuO、Al2O3和TiO2等金属或者金属氧化物）高度弥散于基液（水、乙二醇和油等）之中形成的稳定胶体体系，既具有磁性固体物质的性质，又具有液体的流动特性，是一种新型的磁性功能材料。纳米磁性流体应用非常广泛，比如能源、电子、国防军工、航空航天、化工环保、冶金机械、仪器仪表、生物医学等方面，效果十分显著[3-4]。纳米磁性流体也逐渐成了磁流体力学的研究热点。因此，开展方腔内纳米磁性流体自然对流的基础理论研究具有重要的应用价值和科学意义。

1    纳米磁性流体自然对流研究现状

由于纳米磁性流体广泛地应用于不同的领域，备受各国学者的青睐。目前，大部分都是关于边界层问题的研究，关于方腔的研究不多。方腔内纳米磁性流体自然对流问题的研究主要集中在实验和数值模拟两个方面，但是实验研究甚少，因此本研究主要讲述数值模拟部分。大部分学者将纳米磁性流体视为一种混合均匀的单相流体，将原来纯流体的质量方程、动量方程和能量方程应用在纳米磁性流体上，对于所涉及的物理参数直接采用纳米磁性流体的相应参数。同时，也有部分学者采用两相法来研究纳米磁性自然对流问题。

方腔内纳米磁性自然对流问题的研究呈现以下特点：（1）研究几何形状、边界条件以及维数的变化，由简单的方腔逐渐变为棱形方腔、梯形方腔，并且方腔内出现障碍物及多孔介质一类;边界条件由竖直壁面保持恒温、上下壁面绝热，逐渐演变为竖直壁面温度的边界条件发生变化，并在壁面出现热源;上壁面出现驱动现象;方腔的维数从二维延展到三维（见图1）。（2）研究介质也呈现多样化趋势，由不可压缩牛顿流体扩展到非牛顿流体。（3）研究磁场方向的变化，由水平磁场逐渐变为倾斜磁场，有些文献指出出现了磁场源[4]。（4）研究内容逐渐深入和不断扩展，不仅有流动、传热、传质等特点，还有纳米磁性流体的稳定性、布朗运动、热泳、熵产和辐射等物理现象的耦合。

方腔内纳米磁性自然对流问题数值模拟的研究方法主要是数值方法，比如有限元法[5]、有限容积法[6]、有限差分法[7]和格子Boltzman方法[8]等。其中，辐射主要是以源项的形式出现在能量方程中，采用Rosseland近似处理。然而，Rosseland近似具有一定的局限性，有很好的光学厚度精度，但不能准确分析壁面辐射特性参数如黑度、反射率等的影响，这也是目前研究中存在的不足之处。

2    结语

方腔内纳米磁性流体自然对流问题，一直备受国内外学者的关注，也是研究的热点。本课题对从方腔的几何形状、边界条件和维数的变化，研究介质、磁场方向、内容以及方法等方面对方腔内纳米磁性流体流动与传热的研究现状进行了分析。

[参考文献]

[1]苏立功，李晓兵，孟  曦.倾斜方腔内纳米流体自然对流的数值研究[J].制冷与空调，2012（6）：627-631.

[2]CHOI S U S，EASTMAN J A.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles[J].Office of Scientific & Technical Information Technical Reports，1995（1）：99-105.

[3]池长青，王之珊，赵丕智.铁磁流体力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.

[4]KEFAYATI G H R.Natural convection of ferrofluid in a linearly heated cavity utilizing LBM[J].Journal of Molecular Liquids，2014（191）：1-9.

[5]DUTTA S，GOSWAMI N，BISWAS A K，et al.Numerical investigation of magnetohydrodynamic natural convection heat transfer and entropy generation in a rhombic enclosure filled with Cu-water nanofluid[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2019（136）：777-798.

[6]MALIK S， NAYAK A K.MHD convection and entropy generation of nanofluid in a porous enclosure with sinusoidal heating[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017（111）：329-345.

[7]MANSOUR M A，BAKIER M A Y.Influence of thermal boundary conditions on MHD natural convection in square enclosure using Cu–water nanofluid[J].Energy Reports，2015（1）：134-144.

[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.