CVFEM Study and Sensitivity Analysis of Transient Rheological Flow of Non- Newtonian Carreau SWCNT-CuO Hybrid Nanofluids over a Rotating Spherical Boundary
本研究利用控制体有限元法，数值研究了非牛顿型 Carreau SWCNT-CuO 杂化纳米流体在多孔介质中绕旋转球形边界的瞬态流变流动，揭示了与单种纳米流体相比，杂化纳米流体表现出更优异的热耗散能力，并对浮力和磁参数具有独特的敏感性响应。
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那些表现得不像水或空气那样的流体，是现代工程学中默默无闻的英雄。虽然水流动得平顺且可预测，但许多工业液体（如发动机油、油漆或血液）会根据被搅拌或推动的速度改变其粘稠度。这种被称为“非牛顿流体”的特性意味着，流体在受到压力时可能会变得更稀薄并流动更快，或者相反，变得更粘稠并抵抗运动。当工程师试图为高速机械冷却或管理复杂系统中的热量时，他们通常会在这些液体中加入微小的固体颗粒，以提高其导热能力。这些理念中最先进的版本使用了“混合型”混合物，通过结合两种不同类型的微观颗粒，创造出一种比仅含有单一类型颗粒的流体更强韧、更高效的流体。了解这些复杂流体的运动方式——特别是在它们被快速旋转或受到磁场作用时——对于设计从航天器到医疗设备等各种用途的更佳冷却系统至关重要。
在最近的一项研究中，一个研究小组调查了这种复杂的流体在流经旋转球体时是如何表现的。他们专注于一种特定的混合物：注入了两种不同纳米颗粒（单壁碳纳米管和氧化铜）的发动机油。这种组合创造了一种旨在处理极端热量和压力的混合型流体。研究人员模拟了一个场景，即该流体流过一个旋转的球体，这种情况模拟了球形轴承、旋转机械甚至航天器进入大气层时的环境条件。为了使问题更加真实，他们还加入了随时间变化的磁场效应，这是在不接触物体的情况下控制流体运动的一种常用技术。其目标是观察旋转、磁力以及这种混合型流体的独特属性如何相互作用，从而改变流速和热传递的方式。
为了解决这个复杂的难题，科学家们使用了一种强大的计算机方法，将球体周围的空间分解为一个包含约 141,256 个单元的详细框架，并使用 160 个单元进行了网格独立性验证。这种方法使他们能够以极高的精度追踪流体的运动，确保计算过程中没有能量或质量的损失。他们运行了数千次模拟，调整诸如磁场强度、球体旋转速度和纳米颗粒浓度等变量。结果揭示了其中作用力的清晰图景。当研究人员增加浮力（由温度差异引起的自然升力）时，流体的运动显著加快。边界层（紧贴球体表面的薄层流体区域）向外扩张，使流动变得更加剧烈。相比之下，当他们加强磁场时，流体速度大幅下降。磁场起到了类似隐形刹车的作用，产生一种阻力，压缩了流动层并降低了靠近表面的流体速度。
研究还强调了混合型混合物相对于仅含一种颗粒的流体的卓越性能。碳纳米管与氧化铜的结合被证明在热量管理方面远比单一颗粒版本有效。当研究人员观察流体对热能的耗散能力时，发现混合型混合物的表现始终优于单颗粒版本。其中一个因素脱颖而出，成为了热传递最强大的驱动力：即表面的对流加热。通过增加向球体表面提供热量的速率，研究人员观察到流体携带热量离开的能力出现了大幅飙升。这表明，在实际应用中，控制表面加热条件与控制流体成分本身同样重要。此外，研究证实用于预测这些行为的数学模型是非常可靠的，两种不同的计算方法得出了几乎一致的结果，尽管其中一种模型预测的摩擦力和热传递值略高。
研究人员还测量了系统对环境变化的敏感程度。他们发现，流动对浮力和表面加热的变化最为敏感，且混合型流体对这些因素表现出特别强烈的反应。相反，流体对其自身内部弹性的变化不太敏感，这意味着虽然流体的伸展性很重要，但它并不是驱动流体行为的主要因素。磁场虽然能有效减缓流体速度，但与表面加热条件相比，其对整体热传递的影响较为温和。这些发现为需要设计在磁场影响下绕旋转物体流动的系统的工程师提供了详细的路线图。通过了解这些混合型流体如何对旋转、磁性和热量做出反应，设计师现在可以优化其冷却系统，使其更加高效，确保高速机械运行得更凉爽、更安全。研究证实，尽管这些流体的物理过程错综复杂，但它们遵循可以被利用来解决复杂工程挑战的可预测模式。
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