羅小紅

（吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

1 納米磁流體概述

納米流體作為一種新型工質(zhì)，在強化傳熱領(lǐng)域（航天器熱控制、發(fā)動機冷卻、核能系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)等）和可再生能源利用領(lǐng)域（太陽能光催化制氫、太陽能集熱器和太陽能直接蒸發(fā)器等）[1]，減阻潤滑[2]和生物醫(yī)學(xué)[3]以及儲能[4]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

納米磁流體是一類特殊的納米流體，它既具有固體物質(zhì)的磁性，又具有液體的流動特性。當有外加磁場作用時，它可以被控制、定位、定向和移動，也起到強化傳熱作用，同時，納米粒子的分布結(jié)構(gòu)特征會發(fā)生變化，使得納米磁流體的光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化[5]。近年來，納米磁流體在現(xiàn)代工業(yè)中的一些高新技術(shù)領(lǐng)域，如可再生能源[5]、生物醫(yī)學(xué)[6]、光電信息[7]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以上提到的領(lǐng)域均涉及高溫，因此，納米磁流體也逐漸成了輻射磁流體力學(xué)的研究熱點。納米磁流體在以上新技術(shù)和前沿技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，普遍都涉及納米磁流體的動力學(xué)特性、熱力學(xué)特性和光學(xué)特性等。開展熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的基礎(chǔ)理論研究具有重要的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。

2 研究內(nèi)容現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外關(guān)于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究中主要圍繞兩類問題進行：第一類是邊界層流動問題，根據(jù)與納米磁流體相接觸的物體壁面形狀，流動又可分為繞流平板邊界層流動[8-11]、繞流楔型物體邊界層流動[12]和繞曲面物體邊界層流動；第二類是有限區(qū)域內(nèi)的納米磁流體流動問題。

不論是上述哪一類問題，呈現(xiàn)以下特點：研究內(nèi)容不斷深入與擴大，不僅包括流動、傳熱、表面輻射、介質(zhì)輻射、傳質(zhì)，甚至還包括布朗運動、熱遷移、熱泳、歐姆熱等多種物理現(xiàn)象的耦合。

3 研究方法現(xiàn)狀

由于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的問題涉及熱輻射場、磁場、溫度場和流場等多種物理場及其耦合，實驗方法很難同時精確描述影響納米磁流體流動與傳熱的諸多因素，而數(shù)值方法就很直觀通過流場、溫度場，采用圖和表的形式，表達出輻射對納米磁流體流動與傳熱影響的機理。目前，針對熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究仍以數(shù)值方法和解析法為主。

解析法包括：微分變換法、Laplace分解法和同倫分析法等。同倫分析法是廖世俊教授[13]于1992年提出的用于求解非線性方程的方法，由于該方法可以控制和調(diào)節(jié)級數(shù)解得收斂區(qū)間和收斂速度，確保級數(shù)解的收斂性。因此大部分學(xué)者采用此法來求解熱輻射對納米磁流體流動與傳熱的邊界層問題，比如Hayat等[10]在具有非線性熱輻射作用下，采用同倫分析法研究了納米流體流過拉伸表面時駐點流動，他們研究發(fā)現(xiàn)非線性輻射很大時，會導(dǎo)致納米流體溫度升高。

除了解析法外，數(shù)值方法也是求解熱輻射對納米磁流體流動與傳熱問題的主要方法。大部分學(xué)者采用打靶法迭代確定邊界條件，然后采用Runge-Kutta-Gill法或者Runge-Kutta法求解。比如，Anbuchezhian等[11]在有太陽能輻射導(dǎo)致變流量條件存在的前提下，對不可壓縮黏性納米流體流過多孔豎直拉伸平板時磁流體自然對流和傳熱進行了理論研究。作者們采用李群變換將偏微分方程轉(zhuǎn)換為常微分方程，最后采用Runge-Kutta-Gill法和打靶法求解。還有學(xué)者采用有限差分法[8]、Keller-Box法[9]等。

4 存在的不足

關(guān)于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱影響的研究還存在以下不足：（1）針對輻射源項的處理，大部分研究者[8-12]采用Rosseland近似進行簡化處理來獲得輻射參數(shù)，但該近似在光學(xué)厚度方面有很好的精度，但不能準確分析介質(zhì)的其他輻射特性參數(shù)如吸收率、散射率對流體流動與傳熱的具體影響；不能分析壁面輻射特性參數(shù)如黑度、反射率等的影響。然而，這些參數(shù)的影響非常重要，不能忽略，所以有必要求解輻射傳遞方程。但采用求解輻射傳遞方程來獲得能量方程中的輻射源項的研究較少。（2）關(guān)于熱輻射和磁場對納米磁流體流動與傳熱數(shù)值研究的報道大部分都是邊界層流動與傳熱問題，關(guān)于有限區(qū)域內(nèi)的研究報道很少。