Verbesserte thermische Wirksamkeit für den durch Elektroosmose modulierten peristaltischen Fluss eines modifizierten Hybrid-Nanofluids mit chemischen Reaktionen

Oct 13, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13756 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Analyse wurden die thermischen und Strömungseigenschaften modifizierter Hybrid-Nanofluide (MNFs) unter dem Einfluss von Elektroosmose und homogen-heterogenen chemischen Reaktionen untersucht. Drei Arten von Nanopartikeln aus Cu, CuO und Al2O3 werden verwendet, um die Leistung der MNFs mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit zu überwachen. Die Bestimmung des Erwärmungsphänomens wird untersucht, indem die Auswirkungen der NP-Form, der temperaturabhängigen Viskosität, der Jouleschen Erwärmung, der Wärmeerzeugung/-absorption und der viskosen Dissipation berücksichtigt werden. Bei dieser Untersuchung werden gleiche Diffusionsfaktoren für den Autokatalysator und die Reaktanten angenommen. Die Modellformulierung enthält ein hochgradig nichtlineares PDE-System, das unter physikalischen Annahmen mit Schmierung und Debye-Huckel in ODEs umgewandelt wird. Bei der Lösungsbehandlung wird die Homotopiestörungsmethode zur Lösung der maßgeblichen Differentialgleichungen verwendet. Ein wichtiges Ergebnis zeigt, dass eine Hinzufügung heterogener Reaktionsparameter zur Verbesserung des Konzentrationsprofils beiträgt. Infolgedessen nimmt die Temperaturkurve mit zunehmendem Volumenanteil der NPs ab. Modifizierte Hybrid-NFs haben eine höhere Wärmeübertragungsrate im Vergleich zu Basis-H20 oder gewöhnlichen Al2O3-H20- und Hybrid-Cu + Al2O3-H20-NFs. Der Druckgradient nimmt durch die Verbesserung der elektroosmotischen Parameter ab. Ein Vergleich zwischen analytischen (HPM) und numerischen Ergebnissen (NDSolve) zeigt außerdem, dass beide Ergebnisse gut übereinstimmen.

Der Wärmetransport gilt als eines der wichtigsten und entscheidenden Phänomene in verschiedenen Technologiebereichen. Die thermische Dynamik von Nanofluiden (NFs) ist äußerst spannend und neu im Hinblick auf Anwendungen. NFs, eine unvermeidliche Flüssigkeitsklasse mit außergewöhnlicher Wärmeübertragungsfähigkeit aufgrund suspendierter nanoskaliger Partikel in der Grundflüssigkeit. Unter NFs versteht man eine gleichmäßige Mischung winziger Metallpartikel (5–100 nm) mit Arbeitsflüssigkeiten wie Kerosin, Wasser, Ölen, EG usw. Die resultierenden Flüssigkeiten, NFs genannt, weisen eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit1,2,3, Gleichmäßigkeit und hohe Stabilität auf und geringe Verschmutzung, was sie zu einem universell einsetzbaren Medium für verschiedene Aktivitäten macht, darunter Automobilindustrie, Energieerzeugung, Extrusionsmaschinen, chemische Produktion, Solarkollektoren, Luftreiniger, Elektronik und Nuklearsysteme. und medikamentöse Therapie. Experimentelle Studien legen auch nahe, dass der TC von NFs von einer Reihe von Aspekten abhängt, wie z. B. dem Volumenanteil der Partikel, der Partikelgröße, der Partikelstruktur, dem flüssigen Grundmaterial, der Clusterbildung, den Zusatzstoffen, der Temperatur und dem Säuregehalt der NFs4,5. Im Nanoflüssigkeitsgrößenspektrum ist das Verhältnis von Partikeloberfläche zu Partikelvolumen so groß, dass alle Wechselwirkungen durch Kräfte im Nahbereich wie Oberflächenkräfte und Van-der-Waals-Anziehung angetrieben werden. Buongiorno6 untersuchte den konvektiven nanofluidischen Transport unter Berücksichtigung der Brownschen Bewegung und Thermophorese. Bei seiner Forschung stellte er fest, dass Brownsche und thermophoretische Diffusion Schlüsselfaktoren für die außerordentliche Steigerung der Wärmeübertragung durch die NFs sind. Tiwari und Das7 gestalteten den Transport von NFs, indem sie die Größe winziger Materialien, die Wärmeleitfähigkeit, die Viskosität und den Volumenanteil in den Wärmeübertragungsmechanismus der NFs eintrugen. Lazarus8 befasste sich mit den Anwendungen von NFs bei verschiedenen Wärmeübertragungsphänomenen. Einige neuere Studien, die in dieser Richtung durchgeführt wurden, können auch durch Referenzen beobachtet werden9,10,11,12,13,14.

Schwingungen aufgrund transversaler Translationswellen, die durch eine flexible Wand übertragen werden, führten zu ununterbrochenen periodischen Schwingungen der Muskelleiter, die als Peristaltik bezeichnet werden. Diese Art von Strömung wird durch eine fortschreitende Welle erzeugt, die sich unter der Wirkung einer Pumpe entlang der Traktgrenzen von niedrigem Druck zu hohem Druck bewegt. Der peristaltische Fluss ist ein Phänomen des natürlichen Transports, bei dem sich Körperflüssigkeit durch kontinuierliche Entspannung und Muskelkontraktion von einem Ort zum anderen bewegt. Die peristaltische Bewegung während des Schmiervorgangs wurde ausführlich von Shapiro et al.15 diskutiert. Akram et al.16 untersuchten die Auswirkungen von Nanoflüssigkeiten auf den peristaltischen Transport durch einen asymmetrischen Kanal. Abbasi et al.17 untersuchten die Analyse des zweiten Hauptsatzes für die peristaltische Bewegung von Nanoflüssigkeiten auf H2O-Basis. Die analytische Lösung für das resultierende System wird mithilfe von HPM erhalten. Akbar et al.18 untersuchten die Auswirkungen des Hall-Stroms und des Strahlungswärmeflusses auf den peristaltischen Transport von Nanoflüssigkeiten mit Irreversibilitätsrate. Reddy et al.19 untersuchten die Entropierate für den Fluss von Gold-Blut-NFs in einem Mikrokanal.

Viele chemische Reaktionen, die bei verschiedenen biologischen und physikalischen Phänomenen auftreten, finden in Gegenwart eines Katalysators statt20. Der Vorgang wird durch die Verwendung eines Katalysators beschleunigt, ohne ihn zu verwenden. Aufgrund des Aggregatzustandes von Stoffen kommt es zu zwei chemischen Reaktionen, nämlich homogenen und heterogenen chemischen Reaktionen. Darüber hinaus werden diese Reaktionen als Einphasenreaktionen (Gas, Flüssigkeit und Feststoff) klassifiziert und als homogene Reaktionen bezeichnet, während heterogene Reaktionen in zwei oder mehr Phasen auftreten, wenn ein oder mehrere Reaktanten chemische Modifikationen vornehmen, z. B. (Flüssigkeit, Feststoff, Feststoff und Gas). ,). Einige Reaktionen können nicht selbstständig ablaufen oder werden unter Beteiligung eines Katalysators durchgeführt. Es werden mehrere Analysen zu chemischen Reaktionen für verschiedene Verwendungszwecke veröffentlicht21,22,23.

Der elektroosmotische Fluss (EOF) relativ zu einer festen geladenen Oberfläche ist die Bewegung einer ionisierten Flüssigkeit unter dem Einfluss eines angelegten Potentials oder eines externen elektrischen Feldes. Dieser Einfluss hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seiner Anwendung in Mikropumpen, der Flüssigkeitshandhabung im kleinen Maßstab und der effizienten Gestaltung von Stoff- und Wärmeübertragungssystemen weiterhin große Aufmerksamkeit erhalten. Zu den bahnbrechenden Ergebnissen auf dem Gebiet der Mikrofluidik gehören die Entwicklung von Tintenstrahldruckköpfen, die DNA-Chip-Sequenzierung, die Medikamentenversorgung für Krebspatienten, Lab-on-a-Chip-Technologien und mikrothermische Technologien. Solche Anwendungen, zu denen die Bodenkonditionierung und die chemische Trennung im Mikromaßstab gehören, haben im Laufe der Jahre viele Wissenschaftler dazu ermutigt, den elektroosmotischen Fluss in Mikrogeometrien zu erforschen. In den Untersuchungen wurden einige repräsentative Debatten zur Elektroosmose geführt24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34.

Inspiriert von den zuvor genannten Inspirationen zielt das vorliegende Vorhaben darauf ab, die Effizienz der Wärmeübertragung und des Wärmeflusses von modifizierten Hybrid-Nanoflüssigkeiten unter den Auswirkungen heterogener und homogener chemischer Reaktionen, temperaturabhängiger Viskosität, elektrischer und magnetischer Felder sowie Wärmeerzeugung/-absorption zu untersuchen. Darüber hinaus werden auch Formaspekte der verwendeten Nanomaterialien untersucht. Die MNPs bestehen aus drei Formen von Nanomaterialien, nämlich Cu, Al2O3 und CuO, NPs, die zur Bewertung der thermischen Leistung verwendet werden. Grundannahmen werden verwendet, um definierende Ausdrücke für das Strömungsmodell zu entwerfen. Für das Lösungsverfahren wird die analytische Berechnung mithilfe der Homotopy Perturbation Method (HPM) durchgeführt. Eine umfassende Analyse der entsprechenden Parameter zu den Fließeigenschaften, thermischen Aspekten von Nanomaterialien und Formmerkmalen wird beschrieben und durch Grafiken und Tabellen widergespiegelt.

Hier der Fluss eines elektrisch leitenden modifizierten Hybrid-Nanofluids, d. h. Al2O3-, CuO- und Cu-Nanomaterialien, suspendiert in wässriger (Wasser-)Ionenlösung, der durch die kombinierten Effekte von Elektroosmose und Ausbreitung von Sinuswellen entlang der gesamten Länge der Kanalwände angetrieben wird mit konstanter Geschwindigkeit c betrachtet wird. Wir gingen davon aus, dass die Wände des Kanals flexibel sind, denen sich wandernde Wellen sinusförmiger Natur mit großer Wellenlänge überlagern. Es werden kartesische Koordinaten (x, y) verwendet, die y- und x-Achsen werden entlang der Normalposition bzw. Mittellinie beiseite gelegt. Ein externes elektrisches Feld wird über den EDL in Richtung der x-Achse angelegt, um elektroosmotische Kräfte zu erzeugen. Das modifizierte Hybrid-Nanofluid wird durch Mischen von 1 % Volumenanteil fester Nanopartikel aus Al2O3, 1 % Volumenanteil CuO und 1 % Cu in einer wässrigen (Wasser-)Lösung hergestellt. Die Analyse wird in Gegenwart variabler Viskosität, Magnetfelder, viskoser Dissipation, heterogener und homogener chemischer Reaktionen und Joulescher Erwärmung durchgeführt. Mathematisch ergeben sich peristaltische Wände als18:

wobei \(- \overline{H}(\overline{X},\overline{t})\) und \(+ \overline{H}(\overline{X},\overline{t})\) zuweist die untere bzw. obere Wand (siehe Abb. 1). Darüber hinaus eine einfache Vorlage für die Wechselwirkung zwischen einer heterogenen (oder Oberflächen-)Reaktion und einer homogenen (oder Massen-)Reaktion, bei der zwei chemische Spezies A und B angenommen werden. Eine homogene Reaktion kann durch kubische Autokatalyse ausgedrückt werden, gegeben durch:22:

und dass die heterogene Reaktion22 ist,

Geometrie des betrachteten Problems.

Dabei sind \(\alpha\) und \(\beta\) die Konzentrationen der Spezies \(A\) bzw. \(B\). \({k}_{j}\left(j=s,c\right)\) sind die Konstantenrate. Es wird auch angenommen, dass diese beiden Reaktionsprozesse im Katalysator einfach und isotherm erster Ordnung ablaufen. Hierbei ist zu beachten, dass diese beiden Reaktionen bei der gleichen Temperatur ablaufen.

Das verallgemeinerte Ohmsche Gesetz lautet:25:

In diesem Problem ist E = [Ex, 0, 0] und B = [0, B0,0]. Lorentzkraft mit Gl. (4) wird:

Die Poisson-Gleichung25 für einen symmetrischen Kanal ist wie folgt gekennzeichnet:

Die Nettoladungsdichte (\({\rho }_{e}\)) folgt der Boltzmann-Verteilung25 und ist definiert als:

Die Kationen und Anionen werden als33 angegeben:

Gleichungen verwenden. (7) und (8) in (6) und die Implementierung der Debye-Hückel-Näherung34:

mit Randbedingungen33:

wobei \(\omega\) ein elektroosmotischer Parameter ist. Es wird ausgedrückt als:

Wo,

Die analytische Lösung von Gl. (9) unter Berücksichtigung der Randbedingungen (10) hat die resultierende Form:

Die maßgeblichen Gleichungen für die aktuelle Strömungskonfiguration lauten wie folgt: 17, 18, 21, 28:

In Gleichungen gilt \(\rho_{mnf} , \, \overline{P}\left( {\overline{X},\overline{Y},\overline{t}} \right), \, \overline{T }, \, K_{mnf}\) und \(\Phi\) stellen die modifizierte Hybrid-Nanoflüssigkeitsdichte, den Druck, die Temperatur der Nanoflüssigkeit, die modifizierte Hybrid-Nanoflüssigkeits-Wärmeleitfähigkeit bzw. die Wärmeabsorption dar (Tabelle 1). Für Zweiphasenströmungen werden die thermophysikalischen Eigenschaften, d. h. Dichte, Wärmekapazität, dynamische Viskosität und elektrische Leitfähigkeit, des modifizierten Hybrid-Nanofluids wie folgt angegeben14:

Wo

Und

Wo

Und

Numerische Werte dieser Eigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt. In Tabelle 1 sind ϕ1, ϕ2, ϕ3 Volumenanteile von CuO-, Cu- und Al2O3-NPs. Die Indizes p1, p2 und p3 bezeichnen die Nanopartikel CuO, Cu und Al2O3. Darüber hinaus ist m der Formfaktor, für den in Tabelle 1 Zahlenwerte für verschiedene Formfaktoren angegeben sind.

Die Transformation zwischen einem festen und einem beweglichen Bezugssystem wird wie folgt aufgeführt18:

Wenden Sie die Umrechnung auf die Gleichungen an. (14)-(19) erhalten wir

Das Reynolds-Viskositätsmodell ist definiert als:

Unter Verwendung der folgenden dimensionslosen Größen:

Unter Verwendung von „Annäherungen mit langen Wellenlängen und niedrigen Reynolds-Zahlen“ werden die Gl. (22)-(27) haben folgende Form:

\(A_{1}\), \(A_{3}\) und \(A_{4}\) sind definiert als:

Und

Die dimensionslosen Randbedingungen sind als34 aufgeführt:

Die Diffusionskoeffizienten der chemischen Verbindungen B und A sind im Allgemeinen nicht gleich. Wir können sie im Einzelfall als gleich groß betrachten, und somit ist DA = DB. Dann Gl. (33) und (34) ergeben folgenden Zusammenhang21:

Somit

und relevante Randbedingungen ergeben

Darüber hinaus wird nach Wegnahme des Drucks unter den Gl. (30) und (31):

Die angenommene Homotopiegleichung für das Differentialsystem hat die folgende Form:

Relevante lineare Operatoren werden erhalten als:

Erste Vermutungen werden wie folgt beschrieben:

Die Serienerweiterung wird ausgedrückt als:

Mit Hilfe der Mathematica-Software werden die Differentialgleichungssysteme zweiter, erster und nullter Ordnung ermittelt und anschließend gelöst. Der HPM-Prozess ist in Abb. 2 als Schritt-für-Schritt-Diagramm dargestellt.

Flussdiagramm von HPM.

Auf ähnliche Weise wird das System zweiter Ordnung erreicht. Lösungen für die oben genannten Systeme werden im nächsten Abschnitt anhand von Grafiken und Tabellen analysiert.

In diesem Teil wird der Einfluss mehrerer relevanter Parameter auf die Strömungs- und Wärmeübertragungsleistung eines modifizierten Hybrid-Nanofluidstroms durch einen symmetrischen Kanal analytisch im Detail analysiert.

Die Abbildungen 3a–c zeigen die Ergebnisse des Konzentrationsprofils für Änderungen bei Sc, Ks und K. Abbildung 3a zeigt, dass das Konzentrationsprofil bei höherem Sc abnimmt. Denn die Schmidt-Zahl charakterisiert die Strömung einer Flüssigkeit, in der verschiedene Prozesse der Massendiffusion und Impulsdiffusion ablaufen. Dieser Trend steht im Einklang mit Alarabi et al.22. Höhere Sc-Werte verringern somit die Geschwindigkeit der Massendiffusion, was zu einer Streuung der Partikel und damit zu einer Konzentrationsabnahme führt. Aus Abb. 3b ist ersichtlich, dass die Konzentration bei größeren Werten heterogener Reaktionsparameter zunimmt. Andererseits wird bei einer Änderung von K das umgekehrte Konzentrationsverhalten beobachtet, wie in Abb. 3c dargestellt.

(a–c) Geschwindigkeitsprofil für Änderungen verschiedener eingebetteter Parameter.

In diesem Unterabschnitt wird die Temperatur von Nanoflüssigkeiten untersucht, die modifizierte Hybridnanopartikel enthalten (siehe Abbildungen 4a–e). Abbildung 4a sagt voraus, dass die Temperaturkurve des modifizierten Nanofluids bei einem höheren ϕ3 abnimmt. Die Zugabe von Nanomaterialien zur Arbeitsflüssigkeit erhöht die Wärmeübertragungsfähigkeit des Materials. Dies führt zu einer Temperaturabsenkung. Somit ist das modifizierte Modell von immenser Bedeutung für den Mechanismus mechanischer Geräte, in denen Kühlmittel verwendet werden. Dieser Befund ist mit Abbasi et al.14 kompatibel. Abbildung 4b zeigt, dass die Temperatur des modifizierten Nanofluids mit zunehmendem Parameter ω deutlich ansteigt. Es ist allgemein bekannt, dass die elektroosmotische Kraft eine dem Fluss entgegenwirkende Kraft ist, die Kollisionen zwischen Flüssigkeitspartikeln verstärkt. Die innere kinetische Energie sich bewegender Teilchen in Strömungsrichtung nimmt mit zunehmender Kollisionshäufigkeit zu, was zu einem Temperaturanstieg führt. Abbildung 4c zeigt, dass eine Erhöhung von S zu einem deutlichen Temperaturanstieg des modifizierten Nanofluids führt. Physikalisch gesehen ist dies auf die Umwandlung der abgegebenen elektrischen Energie in thermische Energie zurückzuführen. Ein ähnlicher Trend ist auch für höhere M zu beobachten (siehe Abb. 4d). Die geometrischen Einflussphänomene von Nanomaterialien werden für verschiedene Formen veranschaulicht, und dies spiegelt sich darin wider, dass eine Variation der Werte von m Auswirkungen auf verschiedene Formen von NPs im Temperaturfeld hat (siehe Abb. 4e). Es ist ersichtlich, dass ziegelförmige NPs mehr Wärme erzeugen als andere NP-Formen. Ziegelförmige NPs überwiegen im Vergleich zu zylinder- und plattenförmigen NPs, während klingenförmige NPs die minimale Temperatur ergeben.

(a–e) θ für die Änderung verschiedener Parameter.

Tabellen 3 dienen dazu, das Verhalten der Wärmeübertragungsrate an der Wand \(\left( { - \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)} \right)\) für verschiedene Werte der maßgeblichen Parameter. Die erste Spalte von Tabelle 3 zeigt den Anstieg von \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) mit dem Wachstum des Nanopartikel-Volumenanteils that steht im Einklang mit Akbar et al.18. Die zweite Spalte von Tabelle 3 gibt an, dass ω das \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) anhebt, wenn es ist so installiert, dass das peristaltische Pumpen unterstützt wird. Für S ist ein analoges Verhalten zu beobachten (siehe dritte Spalte). Die vierte Spalte zeigt, dass \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) durch Verbesserung von M erhöht wird. Wann Wird ein Magnetfeld angelegt, erhöht sich die Temperatur des modifizierten Hybrid-Nanofluids, wodurch das Phänomen der Wärmeübertragung an der Wand verbessert wird. \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) ist bei klingenförmigen NPs größer als bei anderen geformten NPs. Klingenförmige NPs werden zur Aufrechterhaltung der Wärmeübertragung in technischen Systemen eingesetzt.

Tabelle 4 zeigt den Einfluss von Basisflüssigkeit (H20), gewöhnlicher Nanoflüssigkeit (Al2O3-H20), Hybrid-Nanoflüssigkeit (Cu + Al2O3-H20) und modifizierter Hybrid-Nanoflüssigkeit (CuO + Cu + Al2O3-H20) auf die Wärmeübertragungsrate. Daraus wird geschlossen, dass Wasser mit modifizierten Hybrid-Nanopartikeln eine höhere Wärmeübertragungsrate aufweist als Basisflüssigkeit (H20), gewöhnliche Nanoflüssigkeit (Al2O3-H20) und Hybrid-Nanoflüssigkeit (Cu + Al2O3-H20). Dies ist auf die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der modifizierten Hybrid-Nanofluide zurückzuführen.

Die Temperaturverteilung im Strömungsfeld wird durch Isothermen wiedergegeben. In den Abbildungen sind Isothermenlinien des modifizierten Hybrid-Nanofluids unter der Wirkung von M und S eingezeichnet. 5,6. Abbildung 5a,b zeigt, dass eine Erhöhung von M eine deutliche Änderung der Isothermen verursacht. Aus Abb. 6A,B geht hervor, dass der gefangene Bolus mit zunehmendem S ansteigt.

Isothermen für die Änderung in M.

Isothermen für die Änderung in S.

Die Abbildungen 7a–e sind dargestellt, um die Reaktion der Geschwindigkeit eines (Cu + CuO + Al2O3)-modifizierten Hybrid-Nanofluids auf verschiedene beteiligte Parameter zu untersuchen. Aus Abb. 7a geht hervor, dass die Geschwindigkeit des modifizierten Nanofluids mit zunehmendem NP-Volumenanteil abnimmt. Dies ist auf einen höheren Volumenanteil an Aluminiumoxid-NPs (ϕ3) zurückzuführen, der die Viskosität der Flüssigkeit erhöht und daher der Bewegung der Flüssigkeit Widerstand leistet. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit Abbasi et al.17. Abbildung 7b zeigt, dass die Geschwindigkeit mit steigenden Werten von α zunimmt. Dies bedeutet, dass das modifizierte Nanofluid, dessen Viskosität von der Temperatur abhängt, in der Nähe der Kanalmitte eine höhere Geschwindigkeit widerspiegelt als die Geschwindigkeit des Nanofluids, das eine konstante Viskosität aufweist (α = 0). Abbildung 7c zeigt, dass eine Erhöhung des elektroosmotischen Parameters den Nanofluidfluss steigert. Das Phänomen der ELD beeinflusst einen elektroosmotischen Parameter. Die Geschwindigkeit nimmt für größeres ω ab, wenn Uhs = −1,0. Abbildung 7d zeigt, dass der Nanofluidfluss durch die Stärkung von Uhs reduziert wird. Für das elektrische Hilfsfeld ist die Geschwindigkeit höher und für das entgegengesetzte elektrische Feld niedriger. Uhs ist auf das elektrische Feld angewiesen, das in diesem Fall die Strömung bestimmt. Das angelegte elektrische Feld steht in direktem Zusammenhang mit Uhs. Somit wirkt es bei einem positiven Wert von Uhs als behindernde Kraft in der Impulsgleichung und bei negativen Werten hält es den Flüssigkeitsfluss aufrecht. Ein ähnliches Verhalten bei der Geschwindigkeit ist auch bei höheren Hartman-Zahlen zu beobachten (siehe Abb. 7e). Bei Erhöhung der Hartmann-Zahl (M) entsteht in der Strömung eine Lorentzkraft, die zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt.

(a–e) Geschwindigkeitsprofil für Änderung in M.

Die Abbildungen 8a–e werden erstellt, um die Änderung des Druckgradienten in Bezug auf x über verschiedene eingebettete Parameter hinweg zu bewerten. Abbildung 8a zeigt eine Verringerung des Druckgradienten mit zunehmender Konzentration an Nanomaterialien. Der Zusatz von Nanomaterialien erhöht den Strömungswiderstand der Flüssigkeit und verringert so den Druckgradienten. Ein umgekehrter Trend ist in Abb. 8b mit dem Einfluss des Viskositätsparameters zu erkennen. Aus Abb. 8c geht hervor, dass der Druckgradient durch die Verbesserung der elektroosmotischen Parameter abnimmt. Das Vorhandensein von EDL in geladenen Oberflächen unterbindet die Strömung, daher nimmt der Druckgradient ab. Abbildung 8d zeigt, dass sich durch die Verbesserung des Uhs ein Druckgradient entwickelt. Der Druckgradient wird durch Erhöhung von M unterdrückt (siehe Abb. 8e). Die Änderung des Druckgradienten zur Erhöhung der Hartmann-Zahl ist groß, wenn M > 1.

(a–e) Druckgradient für Änderung in M.

Ein Vergleich zwischen analytischen (HPM) und numerischen Ergebnissen (NDSolve) wird ebenfalls in Abb. 9 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass beide Ergebnisse konsistent sind.

Ein Vergleich der Ergebnisse der analytischen Technik (HPM) und der numerischen Technik (NDSolve).

Das vorliegende Projekt bringt die kollektiven Effekte von elektromagnetischer Hydrodynamik, temperaturabhängiger Viskosität sowie homogenen und heterogenen chemischen Reaktionsraten in der peristaltischen Bewegung eines modifizierten Hybrid-Nanofluids hervor, das Al2O3-, CuO- und Cu-NPs in einer wässrigen Lösung enthält. Wichtige Beobachtungen sind nachstehend aufgeführt:

Heterogene Reaktionsparameter tragen zur Verbesserung der Konzentrationsprofile bei, während homogene Reaktionsparameter die Konzentration verringern.

Die Temperatur modifizierter HNFs steigt mit zunehmendem elektroosmotischen Parameter deutlich an.

Die Wärmeübertragungsrate an der Grenze ist bei klingenförmigen NPs größer als bei anderen geformten NPs.

Modifizierte Hybrid-Nanoflüssigkeiten weisen im Vergleich zu Basisflüssigkeiten (H20), gewöhnlichen Nanoflüssigkeiten (Al2O3-H20) und Hybrid-Nanoflüssigkeiten (Cu + Al2O3-H20) eine überlegene Wärmeübertragungsrate auf.

Die Isothermen zeigen eine deutliche Änderung, wenn die Hartman-Zahl erhöht wird.

Durch die Verbesserung der Helmholtz-Smoluchowski-Geschwindigkeit wird eine Entwicklung des Druckgradienten erreicht.

Die Ergebnisse dieser theoretischen Studie können erweitert werden, indem sie für verschiedene andere Newtonsche Nanofluide durch gerade und gekrümmte Kanäle diskutiert werden. Darüber hinaus vermittelt die Berücksichtigung der Schlupfbedingungen an den Grenzen dieser Studie ein genaues Bild der Realität.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Stromdichte

Volumenanteil von Al2O3-Nanopartikeln

Wärmeausdehnungskoeffizient einer Flüssigkeit

Wellennummer

Volumenanteil von Cu-Nanopartikeln

Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft

Elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit

Dimensionsloser Wärmeerzeugungs-/Absorptionsparameter

Temperatur an der Kanalwand

Dimensionsloser Druck

Temperatur der Wand

Dimensionsloser Durchfluss im Wellenrahmen

Prandtl-Nummer

Reynolds Nummer

Brinkman-Zahl

Eckert-Nummer

Dichte der Flüssigkeit

Grashoff-Zahl

Hartman-Nummer

Dimensionslose Temperatur

Stream-Funktion

Angewandtes Magnetfeld

Angewandtes elektrisches Feld

Volumenanteil von Cuo-Nanopartikeln

Dimensionstemperatur

Dimensionaler Wärmeerzeugungs-/Absorptionsparameter

Dimensionsloser Durchfluss im Laborrahmen

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Jun Wang wurde vom NNSF China (Grant 11971202) und der Outstanding Young Foundation der Provinz Jiangsu Nr. BK20200042 unterstützt.

Institut für Angewandte Systemanalyse, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013, Jiangsu, Volksrepublik China

Arafat Hussain und Jun Wang

Fakultät für Mathematik, COMSATS University Islamabad, Islamabad, Pakistan

Yasir Akbar und Riaz Shah

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YA: Supervision, Konzeptualisierung, formale Analyse, Schreiben – ursprünglicher Entwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. AH: Datenkuration, Untersuchung, Methodik, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. JW: Software, formale Analyse, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. RS: Datenkuration, Methodik, Finanzierung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Jun Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hussain, A., Wang, J., Akbar, Y. et al. Verbesserte thermische Wirksamkeit für den durch Elektroosmose modulierten peristaltischen Fluss eines modifizierten Hybrid-Nanofluids mit chemischen Reaktionen. Sci Rep 12, 13756 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17522-3

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Eingegangen: 09. Mai 2022

Angenommen: 26. Juli 2022

Veröffentlicht: 12. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17522-3

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