Simulación del flujo de nanofluidos hibridados y mejora de la transferencia de calor a través de 3

May 11, 2024

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 11658 (2022) Citar este artículo

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El presente estudio probó la creación de energía térmica y su concentración en líquidos newtonianos a través de placas verticales calentadas en 3D. Se discute el papel de las teorías de Soret y Dufour en las fórmulas de concentración y energía. Se introduce el papel de las nanopartículas híbridas para ilustrar la eficiencia de las partículas en términos de soluto y energía térmica. Se elimina un proceso de disipación viscosa y un campo magnético cambiante. El enfoque propuesto está motivado por la necesidad de maximizar los usos de solutos y energía térmica en los ámbitos biológico e industrial. El sistema construido de PDE (ecuaciones diferenciales parciales) incluye ecuaciones de concentración, momento y energía térmica dentro de varias características térmicas. Las transformaciones se utilizan para formular el sistema de EDO (ecuaciones diferenciales ordinarias) para su solución. Para evaluar diversas características frente a diversas variables, se utiliza un enfoque de elementos finitos de Galerkin. Se ha demostrado que el movimiento en componentes a nanoescala es más pequeño que el movimiento en nanopartículas híbridas. Además, se observan fluctuaciones en la energía térmica y en el recuento de partículas de soluto en relación con cambios en los números de Soret, Eckert, magnéticos y Dufour. El hallazgo básico es que la generación de energía térmica para los nanomateriales hibridados es mucho mayor.

La transferencia de calor es un tema de ingeniería térmica que implica la fabricación, uso, conversión y alternancia de energía térmica entre estructuras portátiles. La transferencia de calor se divide en diversos enfoques, que incluyen conducción térmica, convección térmica, radiación térmica y transferencia de energía a través de cambios de sección. Los ingenieros tampoco olvidan cambiar una amplia variedad de compuestos químicos (transferencia de masa por advección), ya sean fríos o calientes, para lograr una transferencia de calor. Aunque esas técnicas tienen características únicas, generalmente surgen simultáneamente dentro del mismo sistema. El cambio de calor ocurre cuando la ráfaga de una gran cantidad de líquido (línea de combustible o líquido) contiene su calor en un líquido. Todos los métodos convectivos también transmiten calor parcial a la circulación1. La transferencia de calor es uno de los enfoques comerciales más importantes. En el ámbito económico, el calor debe sumarse, restarse o eliminarse de la distribución de un sistema a otro. En teoría, el calor disipado a través de un líquido caliente no es exactamente similar al calor recibido a través de un líquido frío debido a la falta de calor vegetal2. Aplicación de la transferencia de calor en la fabricación comercial El 99% de la fabricación utiliza una técnica particular para transferir calor. Los enfoques de secado son todos los tipos de transferencia de calor. Los usos comerciales de los fluidos de transferencia de calor varían, desde diseños simples y secos hasta estructuras de gran tamaño que realizan muchas funciones dentro del proceso de fabricación. Dado que existen numerosas versiones en el diseño y la calidad de los enfoques en el uso de fluidos caloportadores, la cantidad de industrias que utilizan esta técnica también es enorme3. La miniaturización tiene un gran impacto en la generación de intercambiadores de calor y los convierte en más compactos y más ecológicos. El rendimiento del intercambiador de calor tiene un efecto extremadamente bueno en el rendimiento general y la aptitud del sistema de energía térmica. El disipador de calor de microcanales es un nuevo dispositivo de generación alternativa de calor. Las ventajas de una gran superficie de transferencia de calor y la alta cohesión de un disipador de calor de canal pequeño lo convierten en un intercambiador de calor ecológico para el uso de refrigeración electrónica4.

Zahra et al.5 investigaron los efectos de la transferencia de calor por radiación térmica con un sistema solar sometido a flujo de nanopartículas. Sheikholeslami y Ganji6 discutieron la transferencia de calor en ferrofluidos con nanopartículas expuestas a un campo magnético. Zeeshan y Bhargav7 investigaron la influencia de la dispersión del fluido y dentro de él sobre la transferencia de calor en el fluido utilizando el enfoque de la dinámica molecular. Sajjad et al.8 analizaron la influencia del medio poroso de Darcy-Forchheimer y las nanopartículas en la transferencia de calor en un fluido sobre una superficie en movimiento.

Un material híbrido es un material que combina propiedades físicas y químicas de diferentes materiales al mismo tiempo y ofrece viviendas en un segmento homogéneo. Los nanomateriales híbridos sintéticos muestran propiedades fisicoquímicas de primer nivel que no existen dentro de los componentes del personaje. Se han realizado una gran cantidad de estudios sobre las propiedades de estos compuestos9 y las sustancias híbridas como los nanotubos de carbono (CNT) se han utilizado en sensores electroquímicos, biosensores, nanocatalizadores, etc.10 pero el uso de estos nanomateriales híbridos en nanofluidos ha ahora ya no avanza como tal. El trabajo sobre nanofluidos híbridos es muy limitado y aún se están realizando muchas investigaciones experimentales. Según Makishima11 se mezclan mientras o más sustancias para que su agregado tenga un enlace químico específico denominado “metales híbridos”. De hecho, los metales uno o más agregaron el segmento homogéneo con mezcla simultánea llamada "nanofluido híbrido". Esta elegancia superior de los nanofluidos mostró una mejora prometedora en las características de transferencia de calor y propiedades termofísicas e hidrodinámicas en comparación con los nanofluidos unitarios. Hayat y Nadeem12 descubrieron que el híbrido El nanofluido terminó bien con una mayor tasa de transferencia de calor en comparación con el nanofluido unitario, incluso en presencia de generación de calor, reacción química y radiación térmica. Descubrieron esto incluso al investigar el flujo tridimensional giratorio constante del nanofluido híbrido Ag-CuO/agua. Selimefendigil y Öztop13 compararon el rendimiento térmico de TiO2, Cu y Al2O3 y descubrieron que los nanofluidos de Cu proporcionaban resultados relativamente mejores. Azmi et al.14 analizaron las propiedades termofísicas de los nanofluidos híbridos, los métodos educativos, un desarrollo actual y los resultados del rendimiento en calor. transferencia, factor de fricción y caída de tensión Minea et al.15 mencionaron los programas de nanofluidos híbridos en energía solar con la guía de algunos debates sobre hogares termofísicos y modelos matemáticos que incluyen detalles numéricos. Nazir et al.16 discutieron el papel del líquido de Williamson en la energía térmica y la concentración que involucran nanopartículas híbridas hacia superficies de fusión a través de una teoría no de Fourier. Dogonchi et al.17 analizaron el papel de las nanopartículas híbridas sobre la eficiencia térmica del fluido entre dos placas paralelas sometidas a radiación térmica. Chamkha et al.18 publicaron sobre la influencia simultánea de nanopartículas híbridas, campos magnéticos y rotaciones de paredes en la transferencia de calor. Masayebidarched et al.19 realizaron análisis teóricos para la mejora térmica en fluidos con nanopartículas híbridas. Trabajos similares publicados sobre el papel de las nanopartículas híbridas en la mejora térmica se pueden ver en las referencias20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32.

En conclusión, los últimos avances sobre la transferencia simultánea de calor y masa han revelado que los gradientes de composición son un factor favorable para la transferencia de calor. De manera similar, se admite un gradiente de temperatura para mejorar la transferencia de masa en los fluidos. La transferencia de calor debida a diferencias de composición del soluto se denomina efecto Dufour, mientras que la transferencia de masa debida al gradiente de temperatura se denomina efecto Soret. Estos efectos han sido estudiados teóricamente en los últimos años. Por ejemplo, Hayat y Nawaz33 estudiaron los efectos combinados de los gradientes de temperatura y concentración sobre el calor por convección mixta y el transporte de masa en un fluido parcialmente iónico de segundo grado sometido a un campo magnético. Nawaz et al.34 estudiaron los efectos de Soret y Dufour sobre la transferencia de calor y masa en un flujo axisimétrico entre dos superficies en movimiento. Subrat et al.35 examinaron los efectos de Soret y Dufour sobre el fenómeno de transporte en el flujo termoquímico. Iskandar et al.36 analizaron los efectos combinados de Soret y Dufour debido a la suspensión de partículas nanométricas sobre la transferencia de calor y masa en flujo sobre una fina aguja en movimiento. Ambreen et al.37 también examinaron el impacto de los gradientes de temperatura y concentración.

Recientemente se han completado extensos estudios sobre la dinámica de los fluidos en presencia de un campo magnético. Vale la pena investigar los efectos de la disciplina magnética sobre los fluidos debido a sus diversos paquetes en una gran variedad de campos. El estudio de la interacción de la disciplina magnética o electromagnética con fluidos está documentado, por ejemplo, en la fusión nuclear, la ingeniería química, la medicación y la refrigeración de transformadores. Un nanofluido magnético (ferrofluido) es una suspensión coloidal magnética junto con un líquido base y nanopartículas magnéticas con una longitud de 5 a 15 nm de diámetro recubiertas con una capa de surfactante. Sheikholeslami y Rashidi38, Ganguly et al.39 estudiaron el impacto de una línea dipolo en mejora del interruptor de calor. Descubrieron que una mejora dentro del interruptor de calor general depende de la tecnología de magnetización de Internet, así como de la ubicación relativa de los dipolos. Parsa et al.40 investigaron el deslizamiento viscoso laminar magnetohemodinámico de un fluido fisiológico productivo en un canal semiporoso debajo de un campo magnético transversal. Sheikholeslami y Ellahi41 estudiaron la simulación mesoscópica tridimensional del efecto del campo magnético en la convección natural de nanofluidos. Encontraron que el crecimiento del espesor de la capa límite térmica con el crecimiento dentro de la fuerza de Lorentz. Zhang y Huang42 investigaron la dinámica del vórtice detrás de diversas limitaciones magnéticas y características de los interruptores de calor. Descubrieron que la penalización por caída de estrés no depende del parámetro de interacción. Sheikholeslami et al.43 investigaron las características de deslizamiento de nanofluidos y transferencia de calor entre placas paralelas horizontales en un dispositivo giratorio. Localizaron que el rango de Nusselt aumentará con un crecimiento en la fracción de cantidad de nanopartículas y el rango de Reynolds; sin embargo, disminuye con un crecimiento dentro del rango de Eckert, los parámetros magnéticos y de rotación. Ghofrani et al.44 proporcionaron un estudio experimental sobre la transferencia de calor por convección a presión de un deslizamiento de ferrofluido acuoso que pasa a través de un tubo redondo de cobre en presencia de un campo magnético alterno. Descubrieron que el efecto del campo magnético en números de Reynolds bajos es mayor y se observa una mejora máxima del 27,6% en la transferencia de calor por convección. Sheikholeslami et al.45 utilizaron la simulación de celosía de Boltzmann (LBM) para simular los resultados del deslizamiento de nanofluidos y la transferencia de calor en un recinto cilíndrico horizontal con un cilindro triangular interno. Rashidi et al.46 estudiaron los resultados del rango de interacción magnética, el componente de deslizamiento y la distinción de temperatura relativa en los perfiles de velocidad y temperatura, además de la tecnología de entropía, en el deslizamiento magnetohidrodinámico (MHD) de un fluido sobre un disco giratorio con propiedades variables47,48,49 ,50,51,52,53,54,55,56,57. Incluye nuevas incorporaciones que consideran nanofluidos convencionales e híbridos con transmisión de calor y masa en una variedad de circunstancias físicas.

No se han investigado las conexiones únicas entre los parámetros termofísicos, ningún estudio previo sobre la mejora térmica y la transposición de masa en líquidos newtonianos tridimensionales que fluyen a través de placas verticales calentadas. Se ha descubierto que los líquidos básicos de los nanofluidos híbridos probados incluyen cobre (Cu), plata (Ag) y agua (H2O). Siguiendo el enfoque de similitud, las soluciones numéricas se obtienen utilizando la técnica robusta de elementos finitos de Galerkin para el control del sistema PDE. El nanofluido híbrido pasa a través de placas verticales calentadas y ofrece una amplia gama de aplicaciones industriales, incluidos recubrimientos y suspensiones, enfriamiento de placas metálicas, tecnología de intercambiadores de calor y procesamiento de materiales. Entre los rodillos de alimentación y enrollado, así como el enfriamiento de una placa metálica sin fin en un baño de refrigeración, pasaban la fabricación de láminas de plástico extruidas aerodinámicamente, la producción de papel, materiales tratados térmicamente.

Por esta razón, esta investigación consta de cinco secciones, cada una de las cuales presenta una variedad de respuestas alternativas. La sección "Análisis de flujo" expone los detalles del tema en cuestión. Mientras tanto, se proporciona una descripción general del enfoque numérico en la sección "Método numérico y validación de código". La sección "Resultados y discusión" analiza los resultados. La sección "Puntos centrales y conclusiones" concluye esta investigación.

Se consideran las características de la energía térmica y las partículas de soluto en el líquido newtoniano que insertan nanoestructuras híbridas hacia una superficie vertical calentada bajo el impacto de un campo magnético variable. Se toma una superficie porosa para caracterizar el movimiento y la energía térmica de las partículas junto con las influencias de Dufour y Soret. El compuesto de \(Ag\) y \(Cu\) se denomina nanoestructura híbrida, mientras que \(Ag\) se conoce como nanopartícula. Las propiedades térmicas de \(Ag\) y \(Cu\) se ilustran en la Tabla 1.

Se observan los siguientes supuestos y requisitos para el modelo matemático:

Modelo híbrido de nanofluidos

Nanopartículas de cobre (Cu) y plata (Ag)

Agua (H2O) como fluido base

Campo magnético

Medios porosos

Fuente de calor

Placas verticales calentadas en 3D

El comportamiento esquemático del modelo actual se presenta en la Fig. 1.

Geometría de nanoestructuras híbridas.

En la Fig. 1, se observó que el eje x se toma en la dirección vertical y el eje y se supone en la dirección horizontal mientras que el campo magnético se inserta en la dirección y. El parámetro del campo magnético reduce el movimiento de las partículas. La región de flujo se expone tomando un campo magnético transversal uniforme y se logra la cantidad máxima de energía térmica frente a los valores de argumento del número de Eckert, el parámetro de rebote y el parámetro magnético.

Las PDE, que describen el problema58,59, se pueden expresar como

Para las ecuaciones del sistema. (1)–(5) los BC son (ver para más detalles,58,59)

En las ecuaciones anteriores, la velocidad es \(\left[ {u,v,0} \right]\), \(g^{*}\) denota la fuerza gravitacional, \(\rho {\text{es la densidad del fluido}}\), \(\mu\) es la viscosidad cinemática, \(\sigma\) es la conductividad eléctrica, \(c_{p}\) se llama calor específico, \(k\) es el conductividad térmica, \(D\) es la difusión de masa (coeficiente) y \(hnf\) es revelada por las nanoestructuras híbridas. Cabe señalar que se genera un campo magnético uniforme a lo largo de la dirección z de la superficie mientras el flujo fluye debido al estiramiento de las paredes.

La Tabla 1 demuestra la relación compuesta entre nanoestructuras híbridas y nanomateriales en polímeros, que se denomina fluido base.

En la Tabla 1 lo siguiente denota

A continuación, la transformación de similitud es

En consecuencia, utilizando la transformación de similitud en las Ecs. 1–6, tenemos

donde, lo siguiente denota: (número de Dufour) \(Du\), (número de Eckert) \(Ec\), número de Soret (\(Sr\)), (número de Schmidt) \(Sc\), (número de Prandtl) \(Pr\), (parámetro del medio poroso) (\({K}^{*}\)), (número de expansión térmica volumétrica) \({\beta }_{hnf}\), (generación de calor) \( {\beta }^{*}\), (número de Grashof) \({\left(Gr\right)}_{c}\) y (parámetro magnético) \(M\). Los números adimensionales y definidos aquí.

Los parámetros prácticos del modelo propuesto utilizados en este estudio se resumen en la Tabla 2.

Las fuerzas superficiales se capturan como

El número de Nusselt es

la tasa de difusión de masa es

donde, \(Re = \frac{{xU_{w} }}{{\nu_{f} }}\), el número de Reynolds.

El G-FEM (método de elementos finitos de Galerkin)60,61,62,63,64 se utiliza a través del software de cálculo COMSOL Multiphysics para obtener la solución del problema presentado. Las reglas de funcionamiento de G-FEM se detallan a continuación:

Se construyen las ecuaciones residuales.

El residual se integra sobre el elemento típico del dominio discretizado.

Las integrales residuales ponderadas se aproximan utilizando el enfoque de Galerkin y se derivan matrices de rigidez.

Se siguen las reglas de ensamblaje de elementos y se linealiza un sistema de ecuaciones no lineal. El sistema linealizado se resuelve bajo tolerancias computacionales \(10^{ - 3}\).

Se comprueba la convergencia y se obtienen resultados independientes de la red. Se utiliza el criterio de análisis de errores.

La Tabla 3 revela la investigación de sin malla;

El análisis de convergencia se confirma mediante 300 elementos.

En ejemplos, se elabora un estudio paramétrico para estudiar la energía térmica y la transferencia de masa en el flujo 3D de un fluido newtoniano, que muestra las influencias de la generación de calor, el medio poroso, la disipación viscosa, el gradiente de temperatura, la tasa de difusión de masa y el calentamiento Joule.

Cabe señalar que los hallazgos del estudio actual se aproximan utilizando G-FEM. La Tabla 4 muestra una validación de resultados utilizando el número de Nusselt en el caso de nanofluidos (Tabla 5).

El número de Prandtl disminuye con la fracción de volumen de nanopartículas e híbridas, mientras que el parámetro de movimiento browniano y el parámetro de termoforesis aumentan con la fracción de volumen de nanopartículas en el tratamiento Integral para transferencia de calor y masa por convección forzada de nanofluidos 300. Es interesante notar que la variación de El número de Lewis tiene un patrón variado para diferentes nanopartículas. En el caso de nanopartículas híbridas y nanopartículas de Ag y Cu, el número de Lewis disminuye a medida que aumenta el porcentaje de volumen de las nanopartículas. Como resultado, para una temperatura de referencia fija (T) y un tamaño específico de nanopartículas e híbridas. Además, la densidad de las nanopartículas suele ser sustancialmente mayor que la del fluido básico. Como resultado, agregar nanopartículas pesadas aumentará la densidad del nanofluido híbrido resultante, y aumentar la fracción de volumen de las nanopartículas aumentará simultáneamente la viscosidad y la densidad dinámicas.

Se modela el aspecto de la energía térmica y la difusión de masa en el flujo de fluido newtoniano sobre una superficie con temperatura (variable) y concentración de pared (variable), y se resuelve numéricamente un modelo matemático acoplado utilizando el G-FEM. El parámetro \(\beta\) se denomina parámetro de flujo de fluido; Determina el comportamiento reológico bajo límite elástico. El límite elástico es la característica por la cual el fluido resiste la deformación hasta que se alcanza una cierta cantidad de esfuerzo aplicado. A medida que aumenta el límite elástico, la capacidad del fluido para resistir la tensión aplicada alcanza su estado de equilibrio; por lo tanto, se observa una disminución en el campo de velocidades (tanto en los componentes \(x\) como en \(y\)) (ver Figs. 2 y 3).

Influencia de \(\beta\) en \(f^{\prime}\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, K^{* } = 0,1, Ec = 0,001,\left( {Gr} \right)_{c} = 0,3,M = 0,5,\beta^{*} = 0,2, Sr = 0,1\) y \(Du = 0,2\) .

Influencia de \(K^{*}\) en \(f^{\prime}\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, \ beta = 0,2, Ec = 0,001,\left( {Gr} \right)_{c} = 0,3,M = 0,5,\beta^{*} = 0,2, Sr = 0,1\) y \(Du = 0,2\) .

Se realizan varios experimentos numéricos con diferentes muestras de valores paramétricos. Algunas observaciones cruciales se obtienen de los experimentos numéricos. Es importante señalar que las curvas discontinuas están asociadas con el flujo, la transferencia de calor y la difusión de masa en nanofluidos (nanofluidos de Cu), mientras que las curvas sólidas están asociadas con el flujo, la transferencia de calor y el transporte de masa en nanofluidos híbridos (nanofluidos de Cu-Ag). Primero se captura el aumento en la magnitud de la fuerza resistiva. Obviamente, el flujo en ambas direcciones \(x\)- y \(y\)- se desacelera; véanse las Figs. 4 y 5). Además, el parámetro \(k^{*}\) asociado con la resistividad del medio poroso contra el flujo de fluido y su impacto en el movimiento de las partículas del fluido se muestra en las Figs. 6 y 7 el comportamiento decreciente de la velocidad se puede ver en las Figs. 6 y 7. Estas figuras también muestran que el nanofluido híbrido experimenta más resistencia al medio poroso que el mono nanofluido. La región viscosa de los nanofluidos es más amplia que la de los nanofluidos híbridos.

Influencia de \(M\) en \(f^{\prime}\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, \beta = 0.2, Ec = 0.001,\left( {Gr} \right)_{c} = 0.3,K^{*} { } = 0.1,\beta^{*} = 0.2, Sr = 0.1,\) y \(Du = 0,2\)

Influencia de \(\beta\) en \(g^{\prime}\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, K^{* } = 0,1, Ec = 0,001,\left( {Gr} \right)_{c} = 0,3,M = 0,5,\beta^{*} = 0,2, Sr = 0,1\) y \(Du = 0,2\) .

Influencia de \(K^{*}\) en \(g^{\prime}\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, \ beta = 0,2, Ec = 0,001,\left( {Gr} \right)_{c} = 0,3,M = 0,5,\beta^{*} = 0,2, Sr = 0,1\) y \(Du = 0,2.\ )

Influencia de \(M\) en \(g^{\prime}\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, \beta = 0.2, Ec = 0,001,\left( {Gr} \right)_{c} = 0,3,K^{*} { } = 0,1,\beta^{*} = 0,2, Sr = 0,1\) y \(Du = 0,2 \).

La relación directa está dirigida al campo magnético y la fuerza de Lorentz. La influencia de la fuerza de Lorentz sobre el flujo puede determinarse mediante la variación de \(M\). Los valores grandes de \(M\) aumentan el efecto opuesto de la fuerza de Lorentz. Por lo tanto, el flujo experimenta un retraso debido a la fuerza de Lorentz. (Ver Figs. 6 y 7). Por tanto, el BLT se aborda variando el campo magnético (la intensidad aplicada). También se observa que la fuerza de Lorentz para el caso de flujo de nanofluidos de Cu-Ag es mayor que la fuerza de Lorentz en el caso de flujo de nanofluidos de Cu.

Los efectos de \(Du, \left( {Gr} \right)_{t} ,M\), \(Pr\), \(\beta^{*}\) y \(Ec\) versus térmica Se examina la energía tanto para nanofluidos (\(Cu\) -nanofluidos) como para nanofluidos híbridos (Cu-Ag-nanofluidos). La influencia observada de estos parámetros se muestra en las Figs. 8, 9. El parámetro \(Du\) se llama número de Dufour. Aparece en la forma adimensional de la ecuación de energía cuando se tiene en cuenta la transcripción de energía térmica debida al gradiente de concentración. Mide la transferencia de energía térmica debido a diferencias de composición causadas por nanopartículas y solutos difundidos en el fluido. Los efectos de \(Du\) sobre la temperatura del nanofluido \(Cu\) y del nanofluido híbrido Cu-Ag- se muestran en la Fig. 8. La temperatura de ambos tipos de fluidos tiene una tendencia creciente en función de \ (Du\). La influencia de \(Du\) sobre la temperatura del nanofluido de Cu- es menor que la de los nanofluidos de Cu-Ag-. Los efectos de la fuerza de flotación sobre la temperatura de los nanofluidos de Cu y Ag se representan en la Fig. 9. \(\left( {Gr} \right)_{ \in } > 0\) es el caso cuando la fuerza de flotación es positiva y el flujo es asistido por esta fuerza. Sin embargo, \(\left( {Gr} \right)_{t} < 0\) en el caso de que la fuerza de flotabilidad sea negativa, el flujo en este caso se denomina flujo opuesto.

Influencia de \(Du\) en \(\theta\) cuando \(\left( {Gr} \right)_{t} = 0.5, Pr = 4, Sc = 5, \beta = 0.2, Ec = 0.001, \left( {Gr} \right)_{c} = 0.3,K^{*} { } = 0.1,\beta^{*} = 0.2, Sr = 0.1\) y \(M = 0.5\).

Influencia de \(\left( {Gr} \right)_{t}\) en \(\theta\) cuando \(Du = 0.2, Pr = 4, Sc = 5, \beta = 0.2, Ec = 0.001, \left( {Gr} \right)_{c} = 0.3,K^{*} { } = 0.1,\beta^{*} = 0.2, Sr = 0.1\) y \(M = 0.5.\)

Datos numéricos relacionados con las tensiones de corte de la pared en las direcciones \(x\) y \(y\), la tasa de transferencia de calor de la pared y el flujo de masa de la pared para ambos tipos de fluidos, \(Cu\) -fluido (mono nanofluido) y \ (Cu\) -\(Ag\) -fluido (nanofluido híbrido), se investigan frente a la variación en los parámetros clave, \(k^{*}\), \(Du\), \(Sr\) y ​​\( Sc\) (ver Tabla 6). Los resultados numéricos se resumen en la Tabla 6. Parece que \(k^{*}\) es inversamente proporcional a los huecos presentes en el medio poroso. Por tanto, la fuerza resistiva por unidad de área (tensión) aumenta. Por lo tanto, los esfuerzos cortantes de la pared en las direcciones \(x\) y \(y\) son funciones crecientes de \(k^{*}\). El gradiente de temperatura y el flujo de masa son funciones decrecientes de \(k^{*}\). También se observa que el esfuerzo cortante de la pared aumenta cuando aumenta \(Du\). Por otro lado, se observa un aumento en el flujo de masa de la pared contra \(Du\). Finalmente, el gradiente de temperatura en las partículas de soluto está determinado por \(Sr\), y un aumento en \(Sr\) provoca una disminución en el esfuerzo cortante de la pared. Sin embargo, se observa la tendencia opuesta para \(Sc\).

Las características de la energía térmica y la difusión de masa, que desempeñan papeles esenciales en el comportamiento de las nanopartículas y las nanoestructuras híbridas, se abordan sobre la superficie de fusión vertical en 3D. El fluido newtoniano se considera bajo influencias simultáneas de generación de calor, medio poroso, disipación viscosa, gradiente de temperatura, tasa de difusión de masa y calentamiento Joule. El modelado matemático se resuelve utilizando el famoso FEM. Los principales hallazgos se enumeran a continuación:

La convergencia del problema propuesto se confirma para una densidad de malla de elementos finitos igual a 300.

El campo magnético reduce el movimiento tanto de las nanopartículas como de las nanoestructuras híbridas, donde el efecto sobre los nanofluidos híbridos es más significativo que sobre los nanofluidos.

El número de Dufour amplificó la temperatura tanto del nanofluido híbrido como del nanofluido, mientras que la temperatura del nanofluido híbrido es más alta que la del nanofluido.

La temperatura de ambos fluidos disminuye a medida que la fuerza de flotación actúa sobre el sistema.

El parámetro de calentamiento en julios intensificó la temperatura de ambos fluidos, y el nanofluido híbrido es más fuerte que el nanofluido.

El número de Prandtl disminuye el perfil de temperatura para ambos fluidos, pero la temperatura del nanofluido híbrido es ligeramente más alta que la del nanofluido.

El perfil de temperatura de ambos fluidos aumenta cuando la generación de calor y la disipación viscosa actúan sobre el sistema.

El gradiente de temperatura aumentó la concentración de ambos fluidos, mientras que el parámetro de difusión disminuyó la concentración de ambos fluidos.

La tensión cortante de la pared se amplificó con el parámetro del medio poroso, el número de Dufour y el parámetro de difusión, pero la tensión cortante de la pared disminuye para el parámetro del gradiente de temperatura. El flujo de masa de la pared aumenta con el número de Dufour y disminuye el esfuerzo cortante de la pared, mientras que la tasa de transferencia de calor y el flujo de masa disminuyen a medida que aumenta el parámetro del medio poroso.

El método de elementos finitos de Galerkin podría aplicarse a una variedad de desafíos físicos y técnicos en el futuro67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77.

número dufour

Temperatura del nanofluido

Temperatura ambiente

Fuerza gravitacional

Componente de velocidad en dirección \(x\), \(y\) \(\left( {m{ }s^{ - 1} } \right)\)

Difusión de masa (coeficiente)

número de eckert

Conductividad térmica

Coordenadas espaciales dimensionales \(\left( m \right)\)

número de prandtl

numero soret

número de Schmidt

Parámetro del medio poroso

Fuerza superficial

número de reynolds

Parámetro magnético

Método de elementos finitos de Galerkin

número de nusselt

Ecuaciones diferenciales parciales

Silevr

Cobre

Tasa de difusión masiva

Agua

Conductividad térmica (W m-1 K-1)

Flujo de calor de la pared

Nanopartículas híbridas

Densidad

Fuente de calor

Capacidad calorífica

fracciones de volumen

Conductividad eléctrica (Ω m) −1

Difusividad térmica del nanofluido híbrido.

Número de expansión térmica volumétrica

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Descargar referencias

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Muhammad Bilal Hafeez y Marek Krawczuk

Facultad de Materiales y Fabricación, Facultad de Ingeniería Mecánica y Tecnología Electrónica Aplicada, Universidad Tecnológica de Beijing, Beijing, China

Hasan Shahzad

Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Rey Abdulaziz, Jeddah, 21589, Arabia Saudita

Amjad Ali Pasha

Programa de Ingeniería Mecánica, División de Ingeniería y Ciencias Físicas, Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, Thuwal, 23955-6900, Arabia Saudita

Mohamed Adil

Centro de Investigación de Combustión Limpia KAUST, Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, Thuwal, 23955-6900, Arabia Saudita

Mohamed Adil

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MBH y MK formularon y resolvieron el problema. MBH, MK, HS, AAP y MA, calcularon y examinaron los resultados. Todos los autores contribuyeron igualmente en la redacción y corrección del artículo. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Muhammad Bilal Hafeez.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Hafeez, MB, Krawczuk, M., Shahzad, H. et al. Simulación del flujo de nanofluidos hibridados y mejora de la transferencia de calor mediante una placa calentada vertical tridimensional utilizando la técnica de elementos finitos. Representante científico 12, 11658 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15560-5

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Recibido: 17 de diciembre de 2021

Aceptado: 27 de junio de 2022

Publicado: 08 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15560-5

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