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【研究前沿】FEM法仿真波纹状封闭空间内混合纳米流体流动

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这篇文章是2024年1月发表在《nature》旗下《Scientific Reports》杂志的paper。
文章的核心内容是关于双扩散传输机制在具有波纹状边界的封闭空间内混合纳米流体流动的研究。研究的重点是水基流体中铜(Cu)和氧化铝(Al2O3)混合纳米粒子的自然对流流动,同时考虑了均匀加热和浓度分布的圆柱体以及均匀施加的磁场的影响。通过有限元方法(FEM)和多物理场仿真软件COMSOL进行数值模拟,分析了多种物理参数对流速、温度和浓度分布的影响,并计算了努塞尔数(Nusselt number)和谢伍德数(Sherwood numbers)等关键物理量。    
          
以下是文章的主要发现和结论:

1. 双扩散现象


   

 

研究了由于热和质量扩散同时发生而引起的浮力差异导致的流体流动,这种现象在自然界和科学系统中有广泛应用。


2. 混合纳米流体


   

 

使用了由Cu和Al2O3组成的混合纳米粒子来增强水基流体的热传导性和质量扩散性。    


3. 磁场的影响


   

 

研究了均匀施加的磁场对热和质量扩散的影响,发现磁场可以减弱流体流动,增强热传导。


4. 物理参数的影响


   

 

分析了瑞利数(Rayleigh number, Ra)、哈特曼数(Hartmann number, Ha)、布伊桑西比率(buoyancy ratio, N)、刘易斯数(Lewis number, Le)和纳米粒子体积分数(nanoparticle volume fraction, φ)对流速、温度和浓度分布的影响。


5. 数值模拟


 

使用COMSOL软件进行数值模拟,通过有限元方法解决了控制方程和边界条件,得到了详细的流场、温度场和浓度场分布。


6. 结果分析


   

 

   - 随着Ra的增加,流速增加,流体循环增强。

   - 磁场的增加(Ha增加)导致流速降低,热传导占主导地位。
   - 纳米粒子体积分数的增加提高了流体的粘度,减少了浮力和流速。
   - 刘易斯数的增加导致热扩散性增加,但质量扩散性降低。    
          
              

7. 热传递和质量传递


   

 

研究显示,随着Ra的增加,热和质量传递率增加;而Ha的增加则导致热传递率下降,质量传递率上升。    


8. 未来研究方向


   

 

文章建议未来的研究可以扩展到考虑多孔介质的影响、封闭空间内的熵生成、以及基于水的三元纳米流体的热溶扩散。

         


来源:CFD饭圈
ACTComsol多孔介质UM控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-08
最近编辑:8天前
CFD饭圈
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