方腔內(nèi)納米磁性流體自然對(duì)流的研究現(xiàn)狀

羅小紅 齊美娜

摘? ?要：納米磁性流體是由具有納米級(jí)的強(qiáng)磁性顆粒高度彌散于基液之中形成的穩(wěn)定膠體體系，既具有磁性固體物質(zhì)的性質(zhì)，又具有液體的流動(dòng)特性，是一種新型的磁性功能材料，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，比如能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等。因此，針對(duì)方腔內(nèi)納米磁性流體自然對(duì)流的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：納米磁性流體;流動(dòng);傳熱;方腔

方腔內(nèi)的自然對(duì)流換熱被廣泛地應(yīng)用在不同領(lǐng)域，如建筑物的加熱與冷卻、雙層玻璃窗、核反應(yīng)堆、電子元件冷卻以及各種各樣的熱力系統(tǒng)等[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了廣泛、深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。在自然對(duì)流換熱問(wèn)題研究中，由于傳統(tǒng)傳熱流體的導(dǎo)熱系數(shù)低，限制了自然換熱強(qiáng)度的提高。1995年，Choi[2]提出了納米流體的概念，利用納米流體強(qiáng)化傳熱得到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，并開(kāi)展了大量的研究工作。

納米磁性流體是一種特殊的納米流體，它是由具有納米級(jí)的強(qiáng)磁性顆粒（如Cu、CuO、Al2O3和TiO2等金屬或者金屬氧化物）高度彌散于基液（水、乙二醇和油等）之中形成的穩(wěn)定膠體體系，既具有磁性固體物質(zhì)的性質(zhì)，又具有液體的流動(dòng)特性，是一種新型的磁性功能材料。納米磁性流體應(yīng)用非常廣泛，比如能源、電子、國(guó)防軍工、航空航天、化工環(huán)保、冶金機(jī)械、儀器儀表、生物醫(yī)學(xué)等方面，效果十分顯著[3-4]。納米磁性流體也逐漸成了磁流體力學(xué)的研究熱點(diǎn)。因此，開(kāi)展方腔內(nèi)納米磁性流體自然對(duì)流的基礎(chǔ)理論研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

1? ? 納米磁性流體自然對(duì)流研究現(xiàn)狀

由于納米磁性流體廣泛地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，備受各國(guó)學(xué)者的青睞。目前，大部分都是關(guān)于邊界層問(wèn)題的研究，關(guān)于方腔的研究不多。方腔內(nèi)納米磁性流體自然對(duì)流問(wèn)題的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面，但是實(shí)驗(yàn)研究甚少，因此本研究主要講述數(shù)值模擬部分。大部分學(xué)者將納米磁性流體視為一種混合均勻的單相流體，將原來(lái)純流體的質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程應(yīng)用在納米磁性流體上，對(duì)于所涉及的物理參數(shù)直接采用納米磁性流體的相應(yīng)參數(shù)。同時(shí)，也有部分學(xué)者采用兩相法來(lái)研究納米磁性自然對(duì)流問(wèn)題。

方腔內(nèi)納米磁性自然對(duì)流問(wèn)題的研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）研究幾何形狀、邊界條件以及維數(shù)的變化，由簡(jiǎn)單的方腔逐漸變?yōu)槔庑畏角?、梯形方腔，并且方腔?nèi)出現(xiàn)障礙物及多孔介質(zhì)一類;邊界條件由豎直壁面保持恒溫、上下壁面絕熱，逐漸演變?yōu)樨Q直壁面溫度的邊界條件發(fā)生變化，并在壁面出現(xiàn)熱源;上壁面出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象;方腔的維數(shù)從二維延展到三維（見(jiàn)圖1）。（2）研究介質(zhì)也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，由不可壓縮牛頓流體擴(kuò)展到非牛頓流體。（3）研究磁場(chǎng)方向的變化，由水平磁場(chǎng)逐漸變?yōu)閮A斜磁場(chǎng)，有些文獻(xiàn)指出出現(xiàn)了磁場(chǎng)源[4]。（4）研究?jī)?nèi)容逐漸深入和不斷擴(kuò)展，不僅有流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等特點(diǎn)，還有納米磁性流體的穩(wěn)定性、布朗運(yùn)動(dòng)、熱泳、熵產(chǎn)和輻射等物理現(xiàn)象的耦合。

方腔內(nèi)納米磁性自然對(duì)流問(wèn)題數(shù)值模擬的研究方法主要是數(shù)值方法，比如有限元法[5]、有限容積法[6]、有限差分法[7]和格子Boltzman方法[8]等。其中，輻射主要是以源項(xiàng)的形式出現(xiàn)在能量方程中，采用Rosseland近似處理。然而，Rosseland近似具有一定的局限性，有很好的光學(xué)厚度精度，但不能準(zhǔn)確分析壁面輻射特性參數(shù)如黑度、反射率等的影響，這也是目前研究中存在的不足之處。

2?   結(jié)語(yǔ)

方腔內(nèi)納米磁性流體自然對(duì)流問(wèn)題，一直備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，也是研究的熱點(diǎn)。本課題對(duì)從方腔的幾何形狀、邊界條件和維數(shù)的變化，研究介質(zhì)、磁場(chǎng)方向、內(nèi)容以及方法等方面對(duì)方腔內(nèi)納米磁性流體流動(dòng)與傳熱的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。

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