Investigación numérica de polvoriento tri

Jun 20, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14272 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

Debido a su alto significado ultratérmico, los materiales de tamaño nanométrico se utilizan en diversas eras de ingeniería química y mecánica, tecnología moderna e ingeniería térmica. Para el crecimiento industrial de un país, uno de los mayores desafíos para ingenieros y científicos es la mejora de la producción y los recursos térmicos. En este estudio analizamos el impulso y los aspectos térmicos del nanomaterial ternario MHD Ellis incrustado con partículas de polvo a través de una placa Riga estirable, incluida la concentración de volumen de material de polvo. Las PDE que generan flujo para modelos de dos fases se minimizan a ODE no lineales adimensionales mediante el uso de la modificación correcta. Para adquirir los resultados gráficos se adoptó el método BVP4c en el software MATLAB. Se han investigado aspectos fundamentales que afectan a la velocidad y la temperatura a través de gráficos. Además, también se han evaluado el número de Nusselt y la fricción de la piel. Se comparó con literatura anterior para comprobar la validez de los resultados. El hallazgo revela que, en comparación con la fase polvorienta, se mejora el rendimiento del transporte térmico de nanofase trihíbrida. Además, el perfil de temperatura aumenta para el parámetro de partículas de polvo de fracción de volumen y rotación. Los fluidos polvorientos se utilizan en numerosos sectores de fabricación e ingeniería, como el transporte de petróleo, las emisiones de humo de los automóviles, los gránulos cáusticos en la minería y las tuberías de las centrales eléctricas.

En los sistemas de transporte de calor la aplicación de nanomateriales juega un papel fundamental en diferentes procedimientos industriales que involucran operaciones térmicas y químicas. En numerosos sistemas de transporte de calor se han utilizado distintos líquidos como portadores térmicos. Los fluidos de transporte de calor son valiosos para diversas aplicaciones, como sistemas de automóviles1,2, transferencia de calor en plantas de energía3,4 y sistemas de cambio de temperatura5. En los fluidos de transferencia de calor, la conductividad térmica juega un papel importante en el desempeño de los procedimientos de transporte de calor y el rendimiento del dispositivo. La transposición de calor se puede lograr mediante el uso de nanolíquidos. Sharif et al.6 analizaron los efectos energéticos sobre el nanofluido de Eyring con microorganismos. Hussain et al.7 investigaron el impacto del movimiento browniano en presencia de microorganismos móviles. Los nanofluidos se producen mezclando partículas de tamaño micro en un líquido base como agua, minerales, aire, etc. Aunque cuando existe más de un tipo de nanomateriales en el líquido base, los nanolíquidos se transfieren a nanolíquidos híbridos. Los nanolíquidos híbridos demuestran un rendimiento excepcional en comparación con los mononanolíquidos8. Por lo tanto, los nanolíquidos híbridos se utilizan ampliamente para mejorar el transporte de calor9. Timofeeva et al.10 demostraron que la viscosidad dinámica de los nanofluidos a base de alúmina varía con la geometría de las nanopartículas a diferentes temperaturas. La carga superficial está relacionada con estas variaciones en la aglomeración y las interacciones entre cada forma de nanopartícula (plaquetas, ladrillos, palas y cilindros) y el fluido base. Esto está muy de acuerdo con la conclusión de Sahu y Sarkar11, que afirma que las morfologías de las nanopartículas afectan tanto el rendimiento exergético como el energético. Jiang et al.12 describieron la dinámica de los nanofluidos resultantes de la convección termocapilar creada por varias formas de cinco nanopartículas (esfera, cuchilla, ladrillo, cilindro y plaqueta). Se descubrió que la cantidad de convección termocapilar era máxima en un nanofluido hecho de nanopartículas esféricas y mínima en nanopartículas con forma de plaquetas. Además, las nanopartículas con forma de cuchilla tuvieron un aumento del 22,8 % en el número de Nusselt, en comparación con un aumento del 2,8 % en las nanopartículas con forma de cuchilla. Algehyne et al.13 informaron el flujo de nanolíquidos numéricamente trihíbridos utilizando el concepto de factor de difusión y no de Fourier. Revelaron que, en comparación con los nanolíquidos individuales, los nanolíquidos híbridos y ternarios tienen una tendencia sobresaliente en cuanto a la energía líquida y la velocidad de propagación. En 14,15,16,17 se citan más estudios sobre el flujo de nanofluidos sujetos a diversas geometrías.

En la era moderna, el modelo de flujo de fluido polvoriento tiene un interés único para los investigadores debido a su sistema de dos fases. Este impacto aparece en el flujo de líquidos con la distribución de partículas sólidas. Por ejemplo, la reacción química mediante la cual se generan gotas con la velocidad del aire polvoriento y la consolidación de partículas polvorientas en dificultades de fluidización. El primero importante para la estructura planetaria se construye mezclando partículas de polvo y gas conocidas como polvo cósmico. Muchos investigadores utilizaron el modelo de fase polvorienta con condiciones límite y diversas estructuras de flujo. Por lo tanto, los resultados que proporcionaron son enfoques numéricos y aproximados. En primer lugar, Saffman18 dio la idea de un fluido polvoriento. Utilizando la teoría del arrastre de Stoke, derivó las ecuaciones para líquidos polvorientos. También observó que la tasa de transporte de calor aumentaba al utilizar partículas de polvo en suspensión. Ezzat et al.19 analizaron la transferencia de líquido polvoriento con transporte de calor por convección libre sobre una superficie plana en medios porosos existentes. Sivaraj y Kumar20 investigaron el fluido polvoriento inestable MHD a lo largo de una superficie irregular con variación de difusión de masa. Dey y Chutia21 presentaron nanolíquidos polvorientos que fluyen por bioconvección a través de una superficie estirable verticalmente. Rehman et al.22 examinaron el nanofluido polvoriento de Casson a través de una superficie estirable con un campo magnético y la ley de Darcy Forchheimer. Observaron que para valores más altos de tiempo de relajación el perfil energético disminuye en ambas fases.

El conocimiento sobre el flujo de fluido giratorio es muy útil para la ingeniería mecánica, radiadores, industria química, revestimiento de giro biomédico, centrífuga, etc. Se utilizan para maquinaria giratoria, dispositivos de almacenamiento de computadoras, lubricaciones y en diversos campos de la ingeniería. Hussain et al.23 llevaron a cabo una investigación para superar el inestable flujo magnetohidrodinámico de nanofluidos a través del canal permeable más allá de la superficie móvil del dispositivo giratorio, teniendo en cuenta la transferencia de masa y calor. Khan et al.24 examinaron la entropía conformacional del flujo de nanofluidos por bioconvección entre dos discos giratorios elásticos. Nazar et al.25 promovieron dificultades de flujo con inestabilidad. Sus hallazgos indican una transición suave del flujo inestable inicial al flujo suave final. Ali et al.26 estudiaron el flujo giratorio inestable de un fluido Maxwell a través de un cilindro estirable. Hussain et al.27 estudiaron el flujo de nanolíquidos de Darcy-forchheimer a través de un disco giratorio. Liu et al.28 investigaron la dinámica del flujo giratorio en la soldadura por fricción y agitación. En 29,30,31,32 se citan más investigaciones sobre el flujo de fluido giratorio sujeto a diversas geometrías.

Diversas aplicaciones del fluido polvoriento trihíbrido en la tecnología actual, desarrollaron una motivación para formular este artículo. Los fluidos polvorientos no newtonianos tienen aplicaciones generalizadas en muchos campos de la ingeniería e industrias, como la producción de cemento, reactores nucleares, intercambiadores térmicos, extracción de petróleo, industria de tuberías, metalurgia, etc. Al analizar la literatura mencionada anteriormente, concluimos que el análisis de la El fluido Ellis trihíbrido polvoriento de dos fases a través de una placa giratoria de Riga no se realizó. El problema no lineal se resuelve numéricamente utilizando el enfoque BVP4c. Los parámetros incluidos se dibujan gráficamente para investigar la fluctuación de varios perfiles. Para investigar las variaciones en las cantidades físicas, los resultados actuales se han comparado con la literatura existente.

Suponemos un flujo constante y giratorio en 3D del polvoriento trihíbrido de nanofluido Ellis mediante una placa de Riga que se estira. La combinación de imanes y electrodos construyó la placa de Riga. Debido al campo electromagnético de una placa de Riga, la fuerza paralela a la placa es la fuerza de Lorentz. La placa se puede estirar en la dirección xy y el líquido se coloca en la dirección z. A lo largo de la dirección z, el fluido gira con velocidad angular \(\Omega \). La velocidad del flujo primario es positiva, la fuerza del segundo cuerpo es negativa, lo que establece un efecto negativo sobre la velocidad secundaria del fluido. Se supuso que las partículas de polvo y el fluido eran estables. El fluido es incompresible, por lo tanto la densidad de las partículas de polvo es constante y se evita la energía entre las partículas de polvo. También se ha tenido en cuenta la fracción en volumen de las partículas de polvo. Además, la placa tiene una velocidad estirada \(U_w\) a lo largo del eje x. Debido al nanofluido trihíbrido se considera una mezcla estable, por lo que se ignora la aglomeración de partículas de tamaño nanométrico. Se supone que la velocidad es cero en la superficie ambiente. \(T_w\) y \(T_\infty \) son la temperatura ambiente y de la pared. El modelo se muestra en la Fig. 1.

Modelo de flujo.

Considerando las condiciones anteriores, la conservación de las ecuaciones de momento y temperatura se puede mencionar como33,34:

Para fase polvorienta

Las condiciones de contorno apropiadas son35,36:

Aquí, (\({u_1}, \,\, {u_2},\,\, {u_3}\)) son componentes de velocidades en las direcciones (x, y, z). Los componentes de velocidad de las partículas de polvo están representados por (\({u_1p},\,\, {u_2p},\,\, {u_3p}\)), \(\Omega \) denota la velocidad constante, \(U_w\) denota el componente de velocidad extensible en la dirección x, a es una tasa constante extensible (a es positiva), \(\rho _{Thnf}\) es la densidad del nanolíquido trihíbrido, \(\rho _p\) es la densidad de las partículas de polvo, \ (C_p\) es la concentración de partículas de polvo, T es la temperatura del líquido, \(T_p\) es la temperatura de las partículas de polvo, \(c_p\) es la capacidad térmica específica del líquido, \(k_{Thnf}\) es la conductividad térmica de tri- híbrido, \(\tau _{T}\) es el tiempo de estabilidad térmica, K es la constante de arrastre de Stoke y L es el factor de microrotación.

Las características termofísicas del nanolíquido híbrido ternario \(TiO_2\), MgO, \(COFe_2 O_4\) son37:

Viscosidad

Densidad

Capacidad calorífica

Conductividad térmica

Asumimos la siguiente transformación apropiada38.

La ecuación (1) se satisface idénticamente. Utilizando las transformaciones mencionadas anteriormente en las Ecs. (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9) y (10), obtenemos

Para el caso polvoriento

Las condiciones de contorno son

Aquí, C es el parámetro de Hartman modificado, d es el parámetro adimensional, \(\beta \) es el parámetro de rotación, \(\phi _d\) es la concentración de partículas de polvo, Pr es el factor de Prandtl, \(B_1\) es el fluido parámetro, \(\beta _t\) es el factor de polvo térmico, \(\gamma _t\) es la relación térmica especificada, \(\beta _v\) es la velocidad de las partículas de fluido, \(\gamma _v\) es la masa de las partículas de polvo concentración, matemáticamente,

Las cantidades físicas son el número de Nusselt y el coeficiente de fricción cutánea se define como:

Donde \({Cf}_x\), \({Cf}_y\) son coeficientes de fricción superficial a lo largo de los ejes x e y, Nu es el número de Nusselt. La forma adimensional del número de Nusselt y el coeficiente de fricción superficial son las siguientes:

Donde \({Re_x}= \frac{xU_w}{\nu _f}\) es el número de Reynolds.

La técnica bvp4c se usa comúnmente para resolver problemas de valores iniciales. Esta técnica es muy estable y fácil de implementar. Las ecuaciones no lineales. (12), (13), (14), (15), (16) y (17) con las condiciones de contorno (18) se resuelven numéricamente utilizando el método bvp4c en el entorno MATLAB. En este método, el sistema de ecuaciones diferenciales. (12), (13), (14), (15), (16) y (17) se reducen a EDO de primer orden.

Con las condiciones pertinentes son:

Las EDO adimensionales se resuelven utilizando la técnica BVP4c. En la Tabla 1 se mencionan las características termofísicas del fluido base y las partículas nanométricas. Para la validación, los resultados actuales se comparan con la literatura existente; la comparación de resultados se muestra en la Tabla 2. Se observa una excelente concordancia con la literatura. Los resultados de esta investigación se explican a través de las Figs. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10. La Figura 2a,b muestra la fluctuación en \(H_1\), \(H_2\) con el número de Hartmann modificado C. El exceso de resistencia de C se debe al incremento del campo eléctrico saliente. En este esquema, la fuerza paralela a la pared (fuerza de Lorentz) restringe el crecimiento de la capa límite. Dado que el rango magnético disminuye rápidamente, el perfil de velocidad aumentó. Físicamente, el rango magnético genera la fuerza de Lorentz que a su vez resiste el flujo de fluido. Sin embargo, en las circunstancias actuales, el rango magnético disminuye, por lo tanto, la fuerza de Lorentz también disminuye y, como resultado, el perfil de velocidad aumenta. La magnitud de \(H_2\) disminuye para valores más altos de C. Se ratifica que la aplicación de un campo electromagnético construido como una placa de Riga es cómoda para estabilizar el flujo giratorio. La Figura 3a,b muestra el impacto del parámetro de rotación \(\beta \) en la velocidad primaria \(H_1\) y la velocidad secundaria \(H_2\). Se observa que con valores amplificadores de \(\beta \) hay retardo en \(H_1\). En el caso de \(\beta =0\) (caso extensible puro), la velocidad alcanza sus valores más altos. Debido a las fuerzas de Coriolis, el movimiento del fluido se ralentiza. Para valores más altos de \(\beta \) la velocidad secundaria \(H_2\) tiene el comportamiento inverso.

Las Figuras 4a,b demuestran la influencia de \(\beta \) en las velocidades del fluido de la fase polvorienta. Aquí, \(H_{1p}\) y \(H_{2p}\) denotan la MBL (capa límite de momento) para el caso polvoriento en los ejes x e y. En el caso de un fluido polvoriento, la disminución de la velocidad axial debido al aumento de la fuerza del parámetro de rotación y la velocidad transversal muestra el comportamiento opuesto frente a este parámetro. La Figura 5a,b indica las velocidades del fluido para \(\beta _v\). Revela que la velocidad axial de la fase de fluido ternario disminuye con una mayor entrada de \(\beta _v\). Físicamente, al aumentar la concentración de masa de partículas de polvo, aumenta el peso de las partículas de polvo, lo que disminuye la velocidad del fluido. Por otro lado, la velocidad transversal muestra el comportamiento opuesto para la tendencia creciente de \(\beta _v\). Las Figuras 6a,b demuestran el efecto de \(\beta _v\) sobre las velocidades del fluido de la fase polvorienta. En el caso de un fluido polvoriento, el aumento de la velocidad axial debido al aumento de los valores de concentración másica de partículas de polvo y, frente a este parámetro, la velocidad transversal muestra el comportamiento opuesto. La Figura 7a, b muestra las influencias de la variación de la fracción de volumen de polvo en las velocidades axiales y transversales. Se observa que al aumentar la concentración de partículas de polvo, el líquido se vuelve espeso y crea más resistencia, por lo tanto la velocidad axial disminuye. Debido a la rotación se observa una tendencia opuesta en la velocidad transversal. La Figura 8a,b ilustra el impacto del parámetro de rotación \(\beta \) en la temperatura del fluido y la fase polvorienta del fluido ternario. Se observa que en la fase fluida polvorienta y ternaria, la temperatura aumentó con valores mayores de \(\beta \). Básicamente, la producción de energía se satisface mediante un procedimiento de difusión debido a una mayor rotación. Las Figuras 9a,b muestran la influencia del parámetro de polvo térmico en \(\theta \) y \(\theta _p\). Para amplificar los valores de \(\beta _t\), el flujo de fluido se ralentiza, por lo tanto, la temperatura disminuye. Por otro lado, valores más altos de \(\beta _t\), en escombros suspendidos mejoran la fuerza de fricción. Por lo tanto, aumenta la temperatura del fluido polvoriento. Las Figuras 10a,b demuestran el impacto de la fracción de volumen de polvo en la temperatura. Para entradas más altas, la temperatura del fluido y la temperatura del fluido polvoriento aumentan. Básicamente, al aumentar la fracción de volumen de polvo, la conductividad térmica aumentó y, por lo tanto, la temperatura aumentó. La Figura 11a, b revela el coeficiente de fricción de la piel para distintos valores de parámetro de rotación y concentración de partículas de polvo. Se observa que tanto las velocidades primarias como las secundarias muestran una tendencia decreciente para una mayor entrada del parámetro giratorio. Para valores crecientes de concentración de polvo, la velocidad primaria disminuye y la velocidad secundaria muestra el comportamiento opuesto. Las Figuras 12a,b representan el número de Nusselt frente al factor térmico de polvo, el parámetro de rotación y la concentración de partículas de polvo. El número de Nusselt muestra la tendencia decreciente para valores más altos de concentración de partículas de polvo.

Variación \(H'_1\) y \(H_2\) frente a C.

Variación \(H'_1\) y \(H_2\) frente a \(\beta \).

Variación de \(H_{1p}\) y \(H_{2p}\) frente a \(\beta \).

Variación \(H'_1\) y \(H_2\) frente a \(\beta _v\).

Variación de \(H_{1p}\) y \(H_{2p}\) frente a \(\beta _v\).

Variación \(H'_1\) y \(H_2\) frente a \(\phi _d\).

Variación \(\theta \) y \(\theta _p\) frente a \(\beta \).

Variación \(\theta \) y \(\theta _p\) frente a \(\beta _t\).

Variación \(\theta \) y \(\theta _p\) frente a \(\Phi _d\).

Variación de la fricción de la piel contra \(\beta \) y \(\phi _d\).

Variación del número de Nusselt frente a \(\beta _t\), \(\beta \) y \(\phi _d\).

Se lleva a cabo una técnica numérica para el flujo rotacional independiente del tiempo del nanofluido Ellis trihíbrido polvoriento sobre una placa de Riga que se estira. Las velocidades axiales y transversales del fluido, la fracción de volumen de partículas de tamaño nanométrico y la temperatura del fluido se evalúan para determinar las entradas fluctuantes apropiadas de diversos parámetros (Información complementaria). Los principales hallazgos se mencionan brevemente:

Para entradas máximas de \(\beta \) y \(\beta _v\), \(H'_1\) y la magnitud de \(H_2\) disminuyen notoriamente.

Para valores más altos del parámetro magnético modificado C, la magnitud de \(H_2\) y \(H'_1\) aumenta.

Los valores más altos de \(\phi _d\), la disminución de la velocidad axial y la velocidad transversal muestran la tendencia opuesta.

En la fase polvorienta, el aumento de la velocidad axial y la disminución de la velocidad transversal contra \(\beta _v\) y \(\beta \) muestran la tendencia opuesta.

La mejora en el parámetro de rotación y concentración de polvo, la temperatura en el fluido trihíbrido y también en la fase polvorienta aumenta.

El perfil de temperatura del fluido aumenta frente a \(\beta _t\) y muestra un comportamiento opuesto en la fase polvorienta.

También se observa que el nanolíquido híbrido ternario alcanza la temperatura máxima en comparación con el nanolíquido simple y el híbrido.

En la piel el coeficiente de fricción \(\phi _d\) muestra un comportamiento decreciente en la velocidad axial y se observa una tendencia opuesta frente a la velocidad secundaria.

El número de Nusselt aumentó frente a \(\beta _t\) y se investiga la tendencia opuesta frente a \(\beta \).

A través de este exitoso intento computacional, hemos expuesto con éxito los efectos de los parámetros en el polvoriento fluido trihíbrido Ellis. Este artículo puede ampliarse para el nanolíquido polvoriento Oldroyd-B, el nanolíquido polvoriento Maxwell y el nanolíquido polvoriento de Jffrey.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Coordenadas cartesianas

Velocidad constante

Densidad de partículas de polvo

Concentración de partículas de polvo

Temperatura del fluido

Temperatura de las partículas de polvo

Capacidad térmica específica del líquido.

número de Hartman modificado

factor prandtl

Parámetro de rotación

Factor de polvo térmico

Parámetro adimensional

Factor térmico especificado

Densidad de partículas de polvo

Constante de arrastre de Stoke

Factor de microrotación

Parámetro Hartman modificado

número de prandtl

Concentración de partículas de polvo.

Parámetro de fluido

Velocidad de las partículas fluidas

Concentración de masa de partículas de polvo.

Conductividad térmica del trihíbrido.

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Departamento de Matemáticas, Government College University Faisalabad, Layyah Campus, Layyah, 31200, Pakistán

Humaira Sharif

Escuela de Ingeniería Mecánica y Automatización, Instituto de Tecnología de Harbin, Shenzhen, 518055, China

Bagh Ali

Departamento de Matemáticas, Universidad de Gestión y Tecnología, Lahore, 54770, Pakistán

Imran Siddique e Iqra Saman

Programa de Matemáticas, Departamento de Matemáticas, Estadística y Física, Facultad de Artes y Ciencias, Universidad de Qatar, 2713, Doha, Qatar

Mohammed MM Jaradat

Grupo de Investigación en Física Matemática Aplicada, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Mansoura, Mansoura, 35516, Egipto

Muhammad Sallah

Instituto Superior de Ingeniería y Tecnología, Nueva Damietta, Egipto

Muhammad Sallah

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Todos los autores tienen igual contribución.

Correspondencia a Mohammed MM Jaradat.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sharif, H., Ali, B., Siddique, I. et al. Investigación numérica del flujo de nanofluidos giratorios de Ellis trihíbrido polvoriento y el transporte térmico sobre una placa de Riga estirable. Representante científico 13, 14272 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41141-1

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Recibido: 09 de abril de 2023

Aceptado: 22 de agosto de 2023

Publicado: 31 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41141-1

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