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Flujo de nanofluido convectivo libre de MHD disipativo más allá de un cono vertical bajo reacción química radiativa con flujo de masa
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Flujo de nanofluido convectivo libre de MHD disipativo más allá de un cono vertical bajo reacción química radiativa con flujo de masa

Jan 28, 2024

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2878 (2023) Citar este artículo

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Recientemente, las nanopartículas han proporcionado diversos desafíos a varios problemas científicos. Las nanopartículas dispersas en una variedad de fluidos convencionales pueden cambiar las propiedades de flujo y transmisión de calor de los fluidos. La técnica matemática se utiliza en este trabajo para investigar el flujo de nanofluidos a base de agua MHD a través de un cono vertical. El patrón de flujo de calor y masa se utiliza en este modelo matemático para examinar MHD, disipación viscosa, radiación, reacciones químicas y procesos de succión/inyección. Se utilizó el enfoque de diferencias finitas para encontrar la solución a las ecuaciones básicas de gobierno. Una combinación de nanofluidos que comprende nanopartículas que incluyen óxido de aluminio (Al\(_{2}\)O\(_{3}\)), plata (Ag), cobre (Cu) y dióxido de titanio (TiO\(_{2} \)) con una fracción de volumen de nanopartículas (0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04), disipación viscosa (\(\epsilon = 0.4, 0.8\)), MHD (M = 0.5, 1.0), radiación (Rd = 0.4 , 1.0, 2.0), reacción química (\(\lambda = 0.2, 2.0\)) y fuente de calor/sumidero (\(\Delta = -3, -2 ,0.5 , 1\)) . Los hallazgos matemáticos de velocidad, temperatura, concentración, fricción de la piel, tasa de transferencia de calor y distribuciones de números de Sherwood se analizan en forma de diagrama utilizando parámetros de flujo no dimensionales. Se ha descubierto que aumentando el valor del parámetro de radiación, mejoran los perfiles de velocidad y temperatura. La producción de productos seguros y de alta calidad para los consumidores de todo el mundo depende de mezcladores de cono vertical, desde alimentos hasta medicamentos, desde limpiadores domésticos hasta productos de higiene personal. Cada tipo de mezclador de cono vertical que ofrecemos fue desarrollado especialmente para satisfacer las demandas de la industria. A medida que el mezclador se calienta en la superficie inclinada del cono mientras se utilizan mezcladores de cono vertical, se puede sentir la efectividad de la molienda. La temperatura se transfiere a lo largo de la superficie inclinada del cono como consecuencia de que la mezcla se mezcla rápida y repetidamente. Este estudio describe la transmisión de calor en estos eventos y sus propiedades paramétricas. La temperatura del cono calentado es entonces convectivo a su entorno.

El término "nano" fue utilizado originalmente en 1915 por Oswald1 en su libro "El mundo de las dimensiones desatendidas". La nanotecnología es un tema de investigación de moda en el siglo XXI debido a la propiedad única de la materia a escala nanométrica. Realizado en las últimas décadas, investigadores y científicos de todo el mundo han intentado investigar sobre numerosos aspectos de la nanotecnología de manera constante. La suspensión de partículas metálicas y no metálicas en fluidos convencionales puede mejorar significativamente el rendimiento de la transferencia de calor. El desarrollo de la nanotecnología y las técnicas de fabricación relacionadas ha permitido la producción de partículas de tamaño nanométrico. Los nanofluidos son fluidos que contienen nanomateriales (un poco menos de 100 nm de ancho) en fluidos de transferencia de calor convencionales, según lo define Choi SUS2 para mejorar las propiedades de transporte de calor. El enfoque final de los nanofluidos es lograr el mayor efecto posible sobre la conductividad térmica utilizando la menor cantidad posible de nanopartículas. Un nanofluido obtuvo ventajas como la capacidad de conducir el calor de manera más eficiente, enfriar los microcanales sin obstruirlos y bombear de manera más eficiente debido a su conductividad térmica mejorada. Gupta et al.3 investigaron un análisis de Cattaneo-Christov de los flujos de calor y masa que afectan al líquido MHD Jeffrey después de pasar a través de un cono permeable. Annur et al.4 utilizaron el análisis de estabilidad para explorar el efecto de la fuerza de flotabilidad en la permeabilidad de la placa móvil en los nanotubos de carbono. Un estudio realizado por Sambath et al.5 abordó los PDE dominantes para el flujo de transferencia de masa y calor MHD radiativo transitorio que pasa por un cono vertical cuando tiene lugar una reacción química y obtuvo soluciones numéricas basadas en los métodos de Crank-Nicholson. Hanifa Hanif et al.6 estudiaron viscosidades variables en flujos de nanofluidos híbridos a base de agua en un cono con un cono permeable invertido durante la generación/absorción de calor. Para realizar el análisis numérico, tenemos que tener en cuenta el campo magnético existente y el flujo de calor radiativo. Iqbal et al.7 estudiaron el efecto teórico del movimiento browniano sobre el flujo de convección natural de nanopartículas a lo largo de un cono circular. El trabajo de Kannan et al.8 discutió el flujo de fluido convectivo laminar con un cono vertical con un flujo de fluido eléctricamente conductor generado por el flujo de calor superficial y el campo magnético. Hanif et al.9 investigaron el flujo bidimensional de un nanofluido a base de agua que incluía una solución de nanopartículas de CdTe no esféricas a través de un cono invertido. Thameem Basha et al.10 investigaron la reacción química de los nanofluidos en dos geometrías diferentes basadas en fuentes/sumideros de calor electrohidromagnéticos y no uniformes. Saleem et al.11 estudiaron el flujo de un nanofluido B de Walter en el cono giratorio en presencia de campos magnéticos. La velocidad angular cerca y lejos del cono debe ser una curva de tiempo lineal inversa. De hecho, Vijayalakshmi et al.12 han investigado un efecto sobre la electromagnetohidrodinámica para un fluido Casson que reacciona químicamente con dos configuraciones diferentes. HT Basha et al.13 estudiaron los impactos de la fuerza de Lorentz en un nanofluido que reacciona químicamente con dos configuraciones diferentes para comprender las propiedades del transporte de fluidos. Abdul gaffar et al.14 se centraron en la influencia del MHD radiativo en un fluido viscoelástico no newtoniano de tercer grado exterior a un cono vertical isotérmico. Sulochana et al.15 investigan el comportamiento de la transferencia de calor y masa para flujos magnetohidrodinámicos a través de un cono giratorio vertical con radiación térmica y procesos químicos. Los investigadores PS Reddy et al.16 utilizaron un cono vertical lleno de un nanofluido poroso para investigar las propiedades de transporte de calor y masa. Sreedevi et al.17 examinaron el estudio de transferencia de calor y masa de nanopartículas a base de agua que comprenden nanotubos de carbono de una o varias paredes a lo largo de un cono vertical sumergido en un medio poroso que presenta condiciones de contorno convectivas bajo el impacto de un proceso químico, así como de succión/inyección. . HT Basha et al.18 estudiaron dos tipos diferentes de configuraciones para describir el flujo de nanofluidos hidromagnéticos que implican reacciones químicas de orden superior, así como una fuente/sumidero de calor no uniforme. R Vemula et al.19 investigaron un flujo de nanofluido viscoso térmicamente acelerado aplicando una placa vertical con una temperatura cambiante y radiación térmica que está sujeta al campo magnético. El mecanismo de intercambio de calor fue establecido por S Nandal y R Bhargava20 en un flujo de convección natural estable bidimensional de un nanofluido alrededor de una placa inclinada. Como resultado, tanto la convección no lineal como la radiación fueron presentadas por Mahanthesh et al.21 en el flujo de fluido hiperbólico tangente a través de una superficie vertical calentada por convección. PS Reddy et al.22 investigaron las propiedades de transmisión de calor y masa de un nanofluido de campo magnético junto con una placa vertical inclinada sumergida en una sustancia permeable que contiene radiación de calor y un componente generador de calor. Abdul Gaffar et al.23 estudiaron el flujo convectivo simple MHD, la transferencia de calor y masa del fluido viscoelástico inmiscible de Jeffrey a través de un cono vertical, incluidos los efectos de la radiación de calor y la generación/absorción de calor. Sandeep y Animasaun24 exploraron un nanofluido de aleación de aluminio a base de agua con campo magnético inclinado y conductividad eléctrica. Usando un cono vertical y una placa plana saturada con un medio poroso no Darcy, Durairaj et al.25 han analizado el flujo Casson generando o absorbiendo calor por reacción química. Específicamente, Sridevi et al.26 han criticado la condición límite convectiva con succión/inyección para la transferencia de calor de la capa límite MHD. PS Reddy et al.27 exploraron el efecto de la radiación térmica, así como la reacción química en la transmisión térmica y de masa en un flujo de capa periférica de nanofluido convectivo simple a lo largo de un cono recto ascendente. Un campo magnético vertical uniforme y la radiación térmica interactúan analíticamente en un experimento de M Turkyilmazoglu et al.28 para influir en la convección libre de nanofluidos que fluyen sobre una placa isotérmica infinita horizontal. PS Reddy y AJ Chamkha29 ilustraron el calor de la capa periférica de convección simple y las propiedades de transporte de masa de los nanofluidos alrededor de un cono vertical utilizando dos tipos y tamaños de nanopartículas. N Sandeep y MG Reddy30 ilustraron el modelo matemático considerando la radiación térmica no lineal, así como la influencia de la fuente/disipador de calor para examinar la naturaleza del diseño del transporte de calor del flujo de nanofluidos MHD eléctricamente conductores sobre un cono y una cuña. CSK Raju et al.31 estudiaron el papel del movimiento browniano y la termoforesis en nanofluidos en presencia de efectos de succión/inyección de calor no uniformes, así como campos MHD variables sobre un cono. B Mallikarjuna et al.32 examinaron la transmisión térmica y de masa integrada principalmente en presencia de un campo magnético, incluidos los efectos de reacción química utilizando un flujo de convección mixto de un fluido newtoniano a través de un cono vertical giratorio sumergido en un medio poroso. IS Oyelakin et al.33 analizaron el nanofluido Cattaneo-Christov Casson con flujo de viscosidad variable sobre un cono vertical en el efecto del movimiento browniano inmerso en el medio poroso.

Jasmine Benazir et al.34 estudiaron el flujo inestable del fluido Casson sobre un cono vertical y una placa plana y la influencia de la doble dispersión, la fuente de calor no uniforme y el sumidero, así como reacciones químicas de orden superior. Abolfazl Zaraki et al.35 consideraron varios tipos de nanopartículas, fluidos base y temperaturas de trabajo para determinar cómo se produce la transferencia de masa y calor por convección natural sobre placas planas. El flujo de la capa límite de un nanofluido Eyring-Powell MHD de este tipo a través de un cono de permeabilidad ha sido examinado por Jayachandra Babu et al.36 en términos de efectos de flotabilidad y efectos de succión/inyección. Un estudio realizado por Raju et al.37 investigó cómo la termoforesis y el movimiento browniano afectan el flujo de la capa límite en un nanofluido MHD Jeffrey sobre un cono permeable. Sambath et al.38 obtuvieron una solución de la MHD convectiva natural con flujo de transferencia de masa sobre un cono vertical y su ecuación de gobierno se derivó mediante el método de Crank-Nicolson. Sambath et al.39 investigaron el flujo de un fluido viscoso, eléctricamente conductor e incompresible sobre una placa inclinada verticalmente mientras existían tanto una fuente de calor como un sumidero. Palani y Kim40 examinaron las características de transferencia de calor de la convección natural utilizando un cono vertical en presencia de radiación térmica y un campo magnético. Ganesan y Palani41 llevaron a cabo una investigación computacional detallada del flujo de MHD a través de una placa inclinada semi-infinita con calor de superficie cambiante y flujo de masa. El flujo de calor de superficie uniforme fue propuesto por primera vez en la literatura por Lin42 para determinar el flujo de convección plana laminar de un cono circular vertical con flujo de pared constante. Hossain y Paul43 examinaron un cono de plomada con un flujo de calor en la superficie irregular para determinar la corriente de las capas periféricas convectivas planas laminares. Los efectos de la energía de activación de Arrhenius y las reacciones binarias sobre la transferencia de calor y masa en el flujo de fluido magnetohidrodinámico de Jeffrey en la superficie de la lámina estirada se exploran44 en presencia de generación de calor no uniforme, radiación térmica y deslizamiento de velocidad. Samuel45 investiga una reacción química sobre una hoja de estiramiento autocatalítico con respecto a los efectos de la viscosidad dependiente de la temperatura en el flujo de fluido radiante de Maxwell. Es el primer intento de flujo de nanofluidos de convección libre a través de una superficie de cono vertical con varios parámetros con calor y flujo de masa. Una sustancia de cono vertical se sumerge en un fluido que contiene nanopartículas y se examina cómo se produce el flujo de calor y masa en el nanofluido en lugar de en el fluido donde se produce la transferencia de calor y masa desde el cono.

La siguiente sección analiza si la transferencia de calor y masa cambia con la adición de parámetros de fluidos. Además, hemos mostrado gráficamente cómo las condiciones térmicas y de flujo másico afectan las propiedades de los nanofluidos durante la transferencia de calor y masa.

En el presente trabajo, se exploró el flujo de nanofluidos radiativos magnetohidrodinámicos a través de un cono recto ascendente utilizando una fuente/disipador de calor no uniforme y MHD. La influencia de la disipación viscosa, la reacción química y la radiación térmica se ha incluido en el estudio actual para controlar el flujo de calor y masa. El radio y el semiángulo del cono están determinados por r y \(\omega\), respectivamente, y como resultado el flujo se desarrolla en dirección ascendente. El eje x se dibuja paralelo a la superficie del cono y el eje y se dibuja normal a él, como se muestra en el diagrama de configuración de flujo en la Fig. 1. Suponiendo que la temperatura ambiente y la concentración están siempre por debajo de Tw y Cw, entonces Tw > \(T_{\infty }\) y Cw > \(C_{\infty }\). La temperatura ambiente constante, así como la concentración lejos de la superficie, se representan con los números \(T_{\infty }\) y \(C_{ \infty }\). La combinación de términos de flotabilidad térmica y de especies es el primero y el segundo en el lado derecho de la ecuación de velocidad. (2), mientras que el término de arrastre hidromagnético es el último componente. El segundo componente en el lado derecho de la temperatura Eq. (3) está asociado con la radiación térmica, el tercer término es el término fuente/sumidero de calor y el último término es el término de disipación viscosa. El término final en difusión Eq. (4) se correlaciona con un proceso químico de primer orden.

De acuerdo con el enfoque de Researchers5,40, las ecuaciones de continuidad, impulso, energía y especias se pueden expresar de la siguiente manera:

Ecuación de Continuidad

Ecuación del Momento

Ecuación de Energía

Ecuación de Concentración

Las condiciones iniciales y de contorno son

donde \(q_{w}(x)= ax^{n}, q^{*}_{w}(x)= bx^{n}\)

Aquí a y b son las constantes, \(B^{2}_{0}\) es la inducción del campo magnético, C\(_{p}\) es el calor específico a presión constante, C\('\) es la concentración en el fluido, C\('_{\infty }\) es la concentración lejos de la superficie del cono, D es la difusividad térmica, g es la aceleración debida a la gravedad, k es la conductividad térmica, L es la longitud de referencia, T\(^{'}\) es la temperatura, T\('_{\infty }\) es la temperatura lejos de la superficie del cono, t\(^{'}\) es el tiempo , u y v son los componentes de velocidad a lo largo de las direcciones x e y (dimensionales), respectivamente, \(\beta\) es el coeficiente volumétrico de expansión térmica, \(\mu\) es la viscosidad dinámica, \(\mu _ {nf}\) es la viscosidad dinámica del nanofluido, \(\nu\) es la viscosidad cinemática, \(\nu _{f}\) es el fluido base de la viscosidad cinemática, \(\sigma\) es conductividad eléctrica, \(\omega\) es el semiángulo del vértice del cono.

Modelo físico y sistema de coordenadas.

La densidad \(\rho _{nf}\), el coeficiente de expansión térmica \((\rho \beta )_{nf}\), el nanofluido de la conductividad térmica (\(k_{nf}\)) y el calor capacitancia \((\rho c_{p})_{nf}\) se presentan expresiones para nanofluidos.

Las cantidades adimensionales relevantes se introducen de la siguiente manera:

donde, Gr\(_{L}\) es el número de Grashof térmico adimensional, Gr\(_{C}\) es el número de Grashof de masa adimensional, Pr es el número de Prandtl, N es la relación adimensional debida a la fuerza de flotabilidad, \ (Q_{0}\) es la fuente/sumidero de calor dimensional, R es el radio local adimensional, r es el radio local del cono, Sc es el número de Schmidt, U y V son los componentes de velocidad a lo largo de las direcciones X e Y ( adimensional), respectivamente, T es la temperatura adimensional, t es el tiempo adimensional.

Usamos la aproximación de Rosseland38 para modelar el flujo de calor radiativo unidireccional, que produce la siguiente fórmula con respecto al flujo de calor radiativo qr:

La versión lineal de la Ec. (7) puede obtenerse elevando T\(^{'}\) \(^{4}\) usando la expansión de la serie de Taylor sobre T\(^{'}_{\infty }\) mientras se eliminan ordenar componentes si el término T\(^{'}\)- T\(^{'}_{\infty }\) dentro del flujo es suficientemente pequeño.

Sustituyendo las ecuaciones. (6) y (7) en la ecuación. (3), tenemos

Las ecuaciones gobernantes se proporcionan en la forma no dimensional a continuación.

Ecuación de Continuidad

Ecuación del Momento

Ecuación de Energía

Ecuación de Concertación

donde, \(A_{1} = \dfrac{1}{(1-\phi )+\phi \bigg (\dfrac{\rho _{s}}{\rho _{f}}\bigg )} , A_{2} = \bigg ((1-\phi )+\phi \dfrac{(\rho \beta )_{s}}{(\rho \beta )_{f}}\bigg ), A_{3 } = (1-\phi )+\phi \dfrac{(\rho \beta ^{*})_{s}}{(\rho \beta ^{*})_{f}}\) , \( A_{4} = \dfrac{1}{(1-\phi )^{2.5}\bigg (1-\phi +\phi \dfrac{\rho _{s}}{\rho _{f}}\ bigg )} , A_{5} = \dfrac{1}{(1-\phi )+\phi \dfrac{(\rho c_{p})_{s}}{(\rho c_{p})_ {f}}}, A_{6} = \dfrac{1}{(1-\phi )^{2.5}\bigg (1-\phi +\phi \dfrac{(\rho c_{p})_{ s}}{(\rho c _{p})_{f}}\bigg )}\)

Las condiciones iniciales y de contorno en forma no dimensional son

Matemáticamente, el coeficiente adimensional de fricción superficial local (\(\tau _{X}\)), el número local de Nusselt (\(Nu_{X}\)) y el número local de Sherwood \(Sh_{X }\) se definen como

Además, la fricción cutánea promedio no dimensional (\(\overline{\tau }\)), el número de Nusselt promedio (\(\overline{N_{u}}\)) y el número de Sherwood promedio (\(\overline {Sh}\)) se definen como:

En este artículo, usamos esquemas implícitos de diferencias finitas del tipo Crank-Nicolson para resolver las EDP (9) a (12) que involucran condiciones iniciales y de contorno (13). Esta técnica numérica comienza convirtiendo las PDE anteriores (9) a (12) en ecuaciones en diferencias finitas usando el operador de diferencias finitas correspondiente con discretización de cuadrícula y estas ecuaciones están dadas por:

Donde (i, j) indica la ubicación de la cuadrícula en las direcciones x e y, respectivamente. Suponiendo que \(\Delta X\), \(\Delta Y\) y \(\Delta t\) se refieren a los tamaños de paso en X, Y y t, respectivamente, mientras que (n, n + 1) se refiere a las iteraciones n\(^{th}\) y (n+1)\(^{th}\) representan U, T y C, respectivamente. Las ecuaciones en diferencias finitas de velocidad, temperatura y concentración se obtienen utilizando valores constantes elegidos correctamente. Después de obtener ecuaciones en diferencias finitas, debemos transformarlas en ecuaciones algebraicas. El algoritmo de Thomas se utiliza para resolver estas ecuaciones algebraicas, que se proporcionan en forma de un sistema tridiagonal. En esta técnica numérica, el tamaño del paso en las direcciones \(\Delta X\) y \(\Delta Y\) es 0.05, con un paso de tiempo de \(\Delta t\) =0.01 mientras que X\(_{max }\) = 1 y Y\(_{max}\) = 20 reflejan las condiciones de contorno correspondientes a \(y\rightarrow \infty\). La condición de estado estacionario alcanzada cuando la variable medida se encuentra dentro del límite de tolerancia \(10^{-5}\).

En este trabajo, se prueban cuatro tipos distintos de nanopartículas Al\(_{2}\)O\(_{3},\) Cu, Ag y TiO\(_{2}\) como se muestra en la Tabla 1 empleando agua como fluido base. Como se muestra en las Figs. 2, 3, 4, 5, 6 y 7, la velocidad espacial, la temperatura y la concentración dentro de la capa límite se ven afectadas por el parámetro magnético (M), el parámetro de radiación (Rd), la fuente de calor y el sumidero (\(\Delta\) ) , fracción de volumen de nanopartículas (\(\phi\)), disipación viscosa (\(\epsilon\)), reacción química (\(\lambda\)) y tipos de nanopartículas. En la Tabla 2, presentamos la temperatura y el coeficiente de fricción de la piel local en respuesta a los cambios en el número de Prandtl (Pr). En consecuencia, la temperatura y el coeficiente de fricción de la piel local aumentan a medida que aumenta Pr. Además, la Tabla 3 demuestra que cuando el número de Prandtl crece, la fricción cutánea local y el número de Nusselt local aumentan.

El impacto de la radiación y MHD, diferentes nanofluidos, varias fracciones de volumen y disipación, así como reacciones químicas y fuente/disipador de calor en los perfiles de velocidad se ve en la Fig. 2 (a–d). Usando la Fig. 2a, podemos ver que la velocidad del fluido comienza a aumentar con una transferencia de calor por convección libre mejorada de diferentes nanofluidos debido a su potencial de reducción. Esto hará que pierdan electrones para la nueva especie. Cuando se comparan la plata (Ag) y el cobre (Cu), podemos notar que el cobre (Cu) tiene una alta velocidad debido a la naturaleza menos viscosa del nanofluido de cobre y agua. A medida que aumenta la fracción de volumen de las nanopartículas, así como la disipación viscosa, la velocidad del fluido disminuye y aumenta, respectivamente, debido a las características absorbentes de la composición de la mezcla que contiene nanopartículas, como se muestra en la Fig. 2b. La Figura 2c muestra los impactos de MHD y la radiación sobre el campo de velocidad. Dado que la fuerza magnética es perpendicular a la fuerza de impulso y da como resultado un movimiento circular uniforme, provoca la reducción del impulso por el aumento del efecto MHD. Además, la longitud de onda del impulso y la fuerza radiativa son directamente proposicionales entre sí y catalizan el aumento del impulso para valores radiativos más altos. El comportamiento de una reacción química y una fuente/sumidero de calor se representa en la Fig. 2d. Es fácil observar cómo la velocidad disminuye a medida que \((\lambda )\) aumenta. Ocurre porque un \((\lambda )\) más grande disminuye la velocidad de la reacción, ralentizando las partículas y reduciendo la posibilidad de colisiones exitosas entre las partículas reactivas. Además, el parámetro de la fuente de calor (\(\Delta\)) afecta los perfiles de velocidad. Está claro a partir de la Fig. 2d que, con un aumento en el parámetro de generación/absorción de calor, la capa límite aumenta y, como consecuencia, aumenta el grosor de la capa límite de momento. El campo de velocidad aumenta como resultado de un depósito que suministra y absorbe energía en forma de calor para valores más altos de fuente/sumidero de calor.

Perfiles de velocidad: (a) diferentes nanopartículas (b) varios \(\epsilon\) y \(\phi\) (c) distintos M y Rd (d) diferentes \(\lambda\) y \(\Delta\).

El efecto de varios nanofluidos sobre la temperatura adimensional se representa en la Fig. 3a. Se ha descubierto que la temperatura disminuye a medida que la resistividad del cobre varía con la temperatura en un patrón parabólico. El gráfico muestra claramente que cuando aumenta la resistencia del cobre, la temperatura del cobre aumenta algo más que la de otras nanopartículas, reduciendo la conductividad a medida que aumenta la temperatura. La influencia del coeficiente de fracción de volumen de nanopartículas (\(\phi\)) y la disipación viscosa (\(\epsilon\)) en el perfil de temperatura del fluido (T) se muestra en la Fig. 3b. Es notable que al aumentar el coeficiente de fracción de volumen de nanopartículas (\(\phi\)) así como el aumento del parámetro de disipación viscosa (\(\epsilon\)) aumenta la temperatura del fluido, debido al movimiento más rápido de nanopartículas en los fluidos y la disipación de algo de energía cinética a través de la viscosidad. Los impactos de MHD y el parámetro de radiación en el comportamiento térmico se prueban en la Fig. 3c. Se puede concluir a partir de esta figura que el aumento de la temperatura de la pared puede aumentar incorporando MHD y efectos de radiación térmica porque si un conductor se mueve en relación con un campo magnético, se induce un voltaje, lo que da como resultado un flujo de corriente entre los terminales y la radiación electromagnética de alta frecuencia emitida por ella es mayor que la radiación de baja frecuencia. La longitud de onda más corta se produce a frecuencias más altas. Esto significa que la intensidad de la radiación emitida es mayor desde un cuerpo más caliente. El gráfico de la Fig. 3(d) ilustra las consecuencias de la reacción química y el parámetro fuente/sumidero de calor sobre el perfil de temperatura. Se informa que un aumento significativo en la cantidad de reacción química mejora el grosor de la capa límite térmica ya que aumenta la energía cinética promedio de las moléculas reactivas. Como resultado, una mayor fracción de moléculas poseerá la menor cantidad de energía requerida para una colisión efectiva y cuando se mejora el parámetro fuente/sumidero de calor, un intercambiador de calor pasivo transfiere el calor generado por un dispositivo mecánico a un medio fluido, donde se disipa lejos del dispositivo, lo que permite la regulación de la temperatura del dispositivo, lo que indica que la temperatura aumenta.

Perfiles de temperatura: (a) diferentes nanopartículas (b) varios \(\epsilon\) y \(\phi\) (c) distintos M y Rd (d) diferentes \(\lambda\) y \(\Delta\).

El gráfico de perfil de concentración frente a Y se describe en la Fig. 4 (ad), para diferentes parámetros físicos (Pr, M, Rd, \(\phi\), \(\epsilon\) y Sc). Un resultado común se obtiene del estudio variado de la Fig. 4(ad) que debido al flujo de masa no uniforme, el fluido tiene una concentración máxima en ax = 1. Las subfiguras (ad) de la Fig. 4(ad) se explican individualmente para demostrar la efecto de Pr, M, Sc, \(\phi\), \(\epsilon\) y Rd en el perfil de concentración, respectivamente. Sobre la base de la Fig. 4a, se puede ver que el perfil de concentración cerca del cono tiene su magnitud mínima para la plata (Ag) y la magnitud máxima para el cobre (Cu), ya que las nuevas especies tienen un mayor potencial de reducción que hace que los electrones sean perdido. Los efectos del parámetro de fracción de volumen de nanopartículas en la concentración de fluido C para nanofluidos a base de agua se muestran en la Fig. 4b. Es obvio que aumentar el parámetro de fracción de volumen de nanopartículas aumenta la concentración de fluido. Esto se debe a que la densidad de los nanofluidos aumenta a medida que aumenta la fracción de volumen de las nanopartículas, lo que ralentiza la concentración del flujo de nanofluidos y aumenta el grosor de la capa límite de las especies, lo que mejora la difusividad de la masa y aumenta la tasa de transferencia de calor superficial. La interacción de MHD y Rd en los perfiles de concentración se presenta en la Fig. 4c. En estas figuras, es obvio que a medida que aumentan los valores de M y Rd, el espesor del pico del límite de especies disminuye. La razón detrás de esto es que la participación de un campo de magnetismo en un líquido que conduce electricidad proporciona una fuerza conocida como fuerza de Lorentz, que se opone al flujo de dirección y provoca una depreciación en los perfiles de concentración (Fig. 4c), mientras que también requiere más energía del fluido para contrarrestar la fuerza de arrastre proporcionada a través del retardo lorentziano, así como la dispersión por la atmósfera que resulta en la parte de la radiación total que llega a la superficie después de cambiar de dirección. El impacto de la reacción química, así como los parámetros de la fuente de calor/sumidero, en el perfil de concentración se representa en la Fig. 4d. Además, la disminución en el perfil de concentración es seguida por un aumento en el parámetro químico y la fluctuación en la concentración depende del aumento del parámetro fuente / sumidero de calor que se puede ver en la Fig. 4d. Por otro lado, el número de Sherwood crece cuando el parámetro fuente/sumidero de calor aumenta en \(\lambda\) = 2, pero disminuye cuando el parámetro fuente/sumidero aumenta en \(\lambda\) = 0,2, lo que implica que la reacción química tiene una propensión a reducir la tasa de transferencia de masa en el cono de superficie. La razón de esto es que cuando aumenta la concentración de todos los reactivos, más moléculas o iones interactúan para formar nuevos compuestos y aumenta la velocidad de reacción.

Perfiles de concentración: (a) diferentes nanopartículas (b) varios \(\epsilon\) y \(\phi\) (c) distintos M y Rd (d) diferentes \(\lambda\) y \(\Delta\).

En las figs. (5, 6 y 7) se grafican sus efectos sobre el coeficiente de arrastre local y promedio, la tasa de transferencia de calor local y promedio y la tasa de transferencia de masa local y promedio bajo varios parámetros interesantes (\(\Delta ,\) Rd, M, \( \lambda ,\) y \(\epsilon\)).

En la Fig. 5( anuncio). La magnitud del coeficiente de fricción de la piel para los nanofluidos a base de agua de Ag y Cu decae con parámetros variables en este experimento, ya que la fricción de la piel se produce cuando un fluido roza la superficie de un elemento que se mueve a través de él. Crece con el cuadrado de la velocidad y es proporcional al área de la superficie en contacto con el fluido.

Fricción cutánea local: (a) Plata (b) Cobre, Fricción cutánea media: (c) Plata (d) Cobre.

La influencia de varios factores sobre la tasa de transferencia de calor local y promedio de los nanofluidos líquidos de Ag y Cu se muestra en la Fig. 6 (ad). En este caso, la tasa de transferencia de calor promedio y local frente a los parámetros cambia, pero se observa el efecto inverso con los parámetros proporcionados debido al comportamiento de la cadena atómica, los nanomateriales se difunden correctamente en el fluido base y obtienen beneficios sustanciales, como una mejor conducción del calor. , menores posibilidades de erosión y mayor conductividad térmica y estabilidad de la mezcla.

Número de Nusselt local: (a) Plata (b) Cobre, Número de Nusselt promedio: (c) Plata (d) Cobre.

La Figura 7(ad) se centra en el efecto de los cambios en los valores de \(\Delta ,\) Rd, M, \(\lambda ,\) y \(\epsilon\) en la influencia de los números de Sherwood locales y promedio para Nanofluidos base agua de Ag y Cu. Los números de Sherwood local y promedio disminuyen a medida que aumentan \(\Delta ,\) Rd, M, \(\lambda ,\) y \(\epsilon\). Los parámetros muestran una tendencia inversa porque el soluto se difunde desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración con una magnitud proporcional al gradiente de concentración.

Número de Sherwood local: (a) Plata (b) Cobre, Número de Sherwood promedio: (c) Plata (d) Cobre.

En términos de velocidad, temperatura y concentración del fluido, es obvio que el cobre proporciona una transmisión de calor y masa superior en el movimiento del fluido que la plata. Esto conduce a una elevación de la velocidad, la temperatura y la concentración del fluido con respecto a la disipación viscosa, independientemente del aumento de la fracción de volumen. Como resultado, podemos inferir que la cantidad de movimiento del movimiento tiende a disminuir en la altura, mientras que la tasa de radiación térmica tiende a aumentar. De manera similar, cuando una reacción química ocurre a la velocidad de un líquido, su valor disminuye con respecto a la fuente de calor/sumidero y si el valor de fuente de calor/sumidero crece, la velocidad aumenta con respecto a la reacción química. Se ha explicado que la temperatura aumenta cuando parámetros como MHD, Rd y los valores de fuente/sumidero de calor suben a la superficie juntos, mientras que el flujo de calor gira en x = 1. En términos de concentración, cuando el valor de los parámetros MHD, químico la reacción, la radiación térmica y la fuente/sumidero de calor aumentan, la concentración disminuye. Además, dependiendo de la magnitud de la reacción química, se observan fluctuaciones de concentración en x = 1.

Se informa que el cobre tiene una tasa de transferencia de calor ligeramente mayor que la plata para los números de Nusselt locales y promedio.

Se afirma que la plata tiene un esfuerzo cortante de pared local un poco mayor que el cobre, mientras que el cobre tiene un esfuerzo cortante de pared ligeramente mayor que la plata para la fricción superficial promedio debido a la fricción dentro del Cu y Ag.

Según el estudio, el cobre genera una tasa de transferencia de masa ligeramente mayor debido a la difusión molecular que la plata para los números de Sherwood locales y promedio.

En el futuro, los investigadores pueden contribuir al problema con los efectos Soret y Dufour.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Oswald, W. El mundo de las dimensiones olvidadas (Dresde, Alemania, 1915).

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Departamento de Matemáticas, Instituto SRM de Ciencia y Tecnología, Kattankulathur, Chennai, Tamil Nadu, 603203, India

E. Ragulkumar y P. Sambath

Departamento de Matemáticas, Dr. Ambedkar Govt. Facultad de Artes, Chennai, Tamil Nadu, 600039, India

G. Francia

Facultad de Ingeniería, Facultad de Ciencias y Tecnología de Kuwait, 35004, distrito de Doha, Kuwait

Ali J. Shamkha

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ERK escribió el manuscrito. GP y PS realizaron la adquisición de datos y la reducción de datos. PS y AJC revisaron el manuscrito.

Correspondencia a P. Sambath.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ragulkumar, E., Palani, G., Sambath, P. et al. Flujo de nanofluido convectivo libre de MHD disipativo que pasa por un cono vertical bajo reacción química radiativa con flujo de masa. Informe científico 13, 2878 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28702-0

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Recibido: 27 de septiembre de 2022

Aceptado: 23 de enero de 2023

Publicado: 18 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28702-0

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