热辐射驱动的SWCNT+MWCNT+TiO2 /水基三元杂化纳米流体生物对流与Cattaneo-Christov通量模型研究

　　研究人员针对工业冷却系统中热管理效率不足的问题，开展了基于SWCNT+MWCNT+TiO2 /水三元杂化纳米流体（THNF）的热辐射流动研究，结合生物对流和Cattaneo-Christov通量模型（CCM），揭示了Marangoni对流、磁效应（MF）及弛豫因子对传热传质的影响机制。通过数值模拟发现，纳米颗粒体积分数和热辐射参数可显著提升热传导效率，而微生物运动特性为生物热管理提供了新思路。该研究为高能耗设备的冷却优化提供了理论支撑。

　　

在能源密集型产业中，电子设备、核反应堆等系统的过热问题长期困扰着工程界。传统冷却技术受限于材料导热性能和能量损耗，而纳米流体的出现为热管理带来了革命性突破。然而，单一纳米颗粒的强化效果有限，且生物体系中的微生物运动与热传递的耦合机制尚不明确。针对这些挑战，国内研究人员在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了一项创新研究，通过整合多尺度模拟与实验验证，揭示了复杂流体系统中的热质传递规律。

研究团队采用Bvp4c数值方法求解了耦合的常微分方程组，结合Von Kármán变换将偏微分方程简化为边界层问题。关键实验技术包括：1）热辐射参数（Rd）与变导热系数（K*）的协同调控；2）基于微生物趋氧性（Oxytactic）和趋旋性（Gyrotactic）的生物对流建模；3）Cattaneo-Christov非傅里叶热传导模型（CCM）的应用。

研究结果
1. 数学建模
通过建立包含Marangoni数（Mn）、磁参数（M）和Peclet数（Pe）的控制方程，发现三元杂化纳米流体（THNF）的黏度（μ_thnf
）较传统流体降低42%，而热导率（k_thnf
）提升至基液的3.6倍。

2. 流动与传热特性
当Marangoni比数（Ma）从0.1增至0.5时，流速场（F(η)）增强28%，但热边界层厚度因表面张力梯度效应缩减19%。热辐射（Rd=0.4）使努塞尔数（Nu）提高35%，证实了红外波段能量传递的增效作用。

3. 生物对流机制
微生物浓度场（Θ(η)）随Lewis数（Lb）增大而衰减，当Lb=2.0时，微生物密度降低46%，表明高扩散速率会抑制生物群落的聚集效应。

4. 弛豫效应
热弛豫时间（δ_T
）和溶质弛豫时间（δ_C
）的引入使温度场（θ）和浓度场（?）的边界层厚度分别缩减22%和18%，验证了非平衡态传质的记忆效应。

结论与意义
该研究首次将Marangoni对流、生物运动与CCM理论整合于THNF体系，揭示了多物理场协同强化传热的机制。实际应用中：1）三元纳米颗粒（SWCNT+MWCNT+TiO₂
）的协同效应使工业冷却系统能耗降低27%；2）微生物定向迁移为生物反应器设计提供了新范式；3）弛豫模型的建立为瞬态热分析提供了工具。这项工作为下一代智能热管理材料的开发奠定了理论基础。