羅小紅

（吉林化工學(xué)院 機(jī)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(qiáng)化傳熱領(lǐng)域（航天器熱控制、發(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)滑[2]和生物醫(yī)學(xué)[3]以及儲(chǔ)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(dòng)特性。當(dāng)有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，它可以被控制、定位、定向和移動(dòng)，也起到強(qiáng)化傳熱作用，同時(shí)，納米粒子的分布結(jié)構(gòu)特征會(huì)發(fā)生變化，使得納米磁流體的光學(xué)性質(zhì)會(huì)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(diǎn)。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(dòng)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(chǎng)對(duì)納米磁流體流動(dòng)與傳熱影響的基礎(chǔ)理論研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

2 研究?jī)?nèi)容現(xiàn)狀

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

不論是上述哪一類問題，呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：研究?jī)?nèi)容不斷深入與擴(kuò)大，不僅包括流動(dòng)、傳熱、表面輻射、介質(zhì)輻射、傳質(zhì)，甚至還包括布朗運(yùn)動(dòng)、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(chǎng)對(duì)納米磁流體流動(dòng)與傳熱影響的問題涉及熱輻射場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等多種物理場(chǎng)及其耦合，實(shí)驗(yàn)方法很難同時(shí)精確描述影響納米磁流體流動(dòng)與傳熱的諸多因素，而數(shù)值方法就很直觀通過流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，采用圖和表的形式，表達(dá)出輻射對(duì)納米磁流體流動(dòng)與傳熱影響的機(jī)理。目前，針對(duì)熱輻射和磁場(chǎng)對(duì)納米磁流體流動(dòng)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(jí)數(shù)解得收斂區(qū)間和收斂速度，確保級(jí)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(duì)納米磁流體流動(dòng)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(shí)駐點(diǎn)流動(dòng)，他們研究發(fā)現(xiàn)非線性輻射很大時(shí)，會(huì)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(duì)納米磁流體流動(dòng)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(duì)不可壓縮黏性納米流體流過多孔豎直拉伸平板時(shí)磁流體自然對(duì)流和傳熱進(jìn)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(chǎng)對(duì)納米磁流體流動(dòng)與傳熱影響的研究還存在以下不足：（1）針對(duì)輻射源項(xiàng)的處理，大部分研究者[8-12]采用Rosseland近似進(jìn)行簡(jiǎn)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(zhǔn)確分析介質(zhì)的其他輻射特性參數(shù)如吸收率、散射率對(duì)流體流動(dòng)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(xiàng)的研究較少。（2）關(guān)于熱輻射和磁場(chǎng)對(duì)納米磁流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值研究的報(bào)道大部分都是邊界層流動(dòng)與傳熱問題，關(guān)于有限區(qū)域內(nèi)的研究報(bào)道很少。