生物磁流体传热的耗散粒子动力学模拟.pdfVIP

2017 年 第 62 卷 第 5 期：446 ~ 454 《中国科学》杂志社 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 生物磁流体传热的耗散粒子动力学模拟 * 罗小平, 李天富, 易红亮, 谈和平 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院, 哈尔滨 150001 * 联系人, E-mail: yihongliang@ 2016-08-11 收稿, 2016-10-05 修回, 2016-10-16 接受, 2016-12-30 网络版发表 国家自然科学基金资助 摘要 耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)是一种基于粒子的拉格朗日型介观方法, 对生物磁流 体等复杂流体流动与传热问题具有较大优势. 如果考虑铁磁流体动力学(ferrohydrodynamic, FHD)效应和磁流体动 力学(magnetohydrodynamic, MHD)效应, 生物磁流体的流动传热问题非常复杂, 因而引起了众多学者的关注. 本 文提出了一种简单可行的方案建立了DPD流体介观参数与真实流体宏观输运系数之间的联系. 在此基础上, 采用 DPD方法模拟了半环形区域内生物磁流体的流动与传热问题并且考虑了磁数和哈特曼数对区域内温度场和流场 的影响. 结果表明, 随着磁数的增加, 热磁对流会产生3个热羽流和4个漩涡. 此外, 哈特曼数的增加会引起热源表 面大部分区域的局部怒塞尔数的显著下降. 关键词 耗散粒子动力学, 生物磁流体, 热磁对流, 自然对流 近年来, 随着新兴技术的兴起, 对流传热面临着 伴随着能量输运现象, 即生物磁流体不再视为等温、 极大难题: 尺度微小化、作用物理量场的复杂化和多 不导电流动. 人体的血液就是一种生物磁流体, 血液 样化以及运行环境的极端化等. 所有这些难题使得 中的红细胞在外场作用下发生极化现象, 从而使血 经典的对流和传热理论面临着较大挑战, 有待进一 液能够响应外磁场并且表现出微弱的导电性能. 生 步深究和探索. 在复杂多物理场作用下, 流体流动存 物磁流体动力学与铁磁流体动力学(ferrohydrod- 在多种驱动力及其非线性耦合作用, 流动问题呈现 ynamics, FHD) 、磁流体动力学(magnetohydrodynamic, 复杂性、多样性和非线性等特征, 需要对其微观结构 MHD)有一些区别. 铁磁流体动力学通常将流体视为 和传输过程进行深入分析. 研究对象由简单流体逐 不导电, 流体的运动主要由铁磁流体的非均匀磁化 渐转向复杂流体, 如电流变液、磁流变液、(胶体)铁 产生的对流体的作用力即开尔文力(Kelvin force)引 磁流体、生物磁流体(biomagnetic fluid)等. 对生物磁 起; 磁流体动力学则将流体视为强导电, 通常忽略流 流体的研究导致了一个新的领域—— 生物磁流体力 体的非均匀极化, 流体受洛伦兹力(Lorentz force)驱 学(biomagnetic fluid dynamics, BFD)的产生. 生物磁 动. 而生物磁流体动力学需要同时考虑流体的非均 流体力学的概