化学反応を伴う修飾ハイブリッドナノ流体の電気浸透変調蠕動流の熱効率の向上

Oct 13, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13756 (2022) この記事を引用

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この分析では、修飾されたハイブリッド ナノ流体 (MNF) の熱特性と流動特性が、電気浸透および均一-不均一化学反応の影響下で調査されました。 Cu、CuO、Al2O3 の 3 種類のナノ粒子を使用して、水を作動液として使用した MNF の性能を監視します。 加熱現象の決定は、NP の形状、温度依存性粘度、ジュール加熱、発熱/吸収、粘性散逸の影響を組み込むことによって調査されます。 この調査では、自動触媒と反応物の拡散係数が等しいと仮定されます。 モデルの定式化には高度に非線形の偏微分方程式系が含まれており、これは潤滑とデバイ・ヒュッケルによる物理的仮定に基づいて ODE に変換されます。 解法処理には、支配微分方程式を解くホモトピー摂動法が使用されます。 主な結果として、不均一反応パラメータの追加が濃度プロファイルの向上に役立つことが明らかになりました。 その結果、NP の体積分率が増加すると温度曲線が低下します。 変性ハイブリッド NF は、ベース H20、または通常の Al2O3 – H20 およびハイブリッド Cu + Al2O3 – H20 NF と比較して、より高い熱伝達率を持っています。 電気浸透パラメータの改善により圧力勾配が減少します。 さらに、解析結果 (HPM) と数値結果 (NDSolve) を比較すると、両方の結果がよく一致していることがわかります。

熱輸送は、さまざまな技術分野において主要かつ重要な現象の 1 つと考えられています。 ナノ流体 (NF) の熱力学は、アプリケーションの点で非常に刺激的で新しいものです。 NF は、ベース流体にナノスケール粒子が懸濁されているため、例外的な熱伝達能力を備えた必然的なクラスの流体です。 NF とは、微細な金属粒子 (5 ～ 100 nm) と灯油、水、油、EG などの作動液体との一貫した混合物を指します。 結果として得られる NF と呼ばれる液体は、優れた熱伝導率 1、2、3、均一性、高い安定性を備えています。 、汚れが少ないため、自動車、発電、押出機械、化学生産、太陽光集熱器、空気清浄機、エレクトロニクス、原子力システムなど、さまざまな活動で普遍的に使用される媒体となっています。 そして薬物療法。 実験研究では、NF の TC が、粒子の体積分率、粒子サイズ、粒子構造、基液材料、クラスタリング、添加剤、温度、NF の酸性度などのさまざまな側面に依存することも示唆しています 4,5。 ナノ液体のサイズスペクトルでは、粒子表面と粒子体積の比が非常に大きいため、相互作用は表面力やファンデルワールス引力などの短距離力によって引き起こされます。 Buongiorno6 は、ブラウン運動と熱泳動を考慮しながら対流ナノ流体輸送を研究しました。 研究の中で、彼はブラウン拡散と熱泳動拡散が NF による熱伝達の異常な増加の重要な要因であることに気づきました。 Tiwari と Das7 は、微小材料のサイズ、熱伝導率、粘度、体積分率を NF の熱伝達メカニズムに入力することにより、NF の輸送を構築しました。 Lazarus8 では、さまざまな熱伝達現象における NF の応用に取り組みました。 この方向で行われた最近の研究は、参考文献 9、10、11、12、13、14 からも確認できます。

柔軟な壁を通って伝わる横方向の並進波による振動は、蠕動と呼ばれる筋導体の途切れのない周期的な振動を引き起こしました。 この種の流れは、ポンプの作用により管の境界に沿って低圧から高圧に移動する進行波によって生成されます。 蠕動流は、継続的な弛緩と筋肉の収縮によって体液がある場所から別の場所に移動する自然な輸送現象です。 潤滑手順中の蠕動運動については、Shapiro et al.15 によって広く議論されています。 Akram et al.16 は、非対称チャネルを通る蠕動輸送におけるナノ液体の分岐を研究しました。 Abbasi et al.17 は、H2O ベースのナノ液体の蠕動運動に関する第 2 法則解析を検討しました。 結果として得られるシステムの分析ソリューションは、HPM を使用して取得されます。 Akbar et al.18 は、不可逆速度によるナノ液体の蠕動輸送に対するホール電流と放射熱流束の影響を調査しました。 Reddy ら 19 は、マイクロチャネル内の金血 NF の流れのエントロピー率を調査しました。

さまざまな生物学的現象や物理現象で起こる多くの化学反応は、触媒の存在下で起こります20。 触媒を使用せずに触媒を使用することで手順が加速されます。 物質の物理的状態により、均一化学反応と不均一化学反応という 2 つの化学反応が発生します。 さらに、これらの反応は単相 (気体、液体、固体) として分類され、均一反応と呼ばれます。一方、不均一反応は、1 つ以上の反応物質が化学修飾 (液体、固体、固体、気体) を受ける場合に 2 つ以上の相で発生します。 、）。 一部の反応はそれ自体では進行できないか、触媒の関与によって進行します。 さまざまな用途の化学反応に関するいくつかの分析が発表されています21、22、23。

固定荷電表面に対する電気浸透流 (EOF) は、印加された電位または外部電場の影響下でのイオン化流体の動きです。 この影響は、マイクロポンプ、小規模液体処理、質量および熱伝達システムの効率的な設計への応用により、ここ数十年にわたって大きな注目を集め続けています。 マイクロ流体工学の分野における先駆的な成果には、インクジェット プリントヘッド、DNA チップの配列決定、がん患者への薬剤供給、ラボオンチップ技術、マイクロサーマル技術などがあります。 土壌調整やマイクロスケールの化学分離を含むこのような応用は、長年にわたって多くの科学者にマイクロ幾何学における電気浸透流の研究を奨励してきました。 電気浸透に関するいくつかの代表的な議論が調査で行われています24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34。

前述のインスピレーションに触発されて、本研究の目的は、不均一および均一化学反応、温度依存粘度、電場および磁場、および発熱/吸収の影響下での、修飾ハイブリッドナノ流体の熱伝達および流れの効率を調査することです。 さらに、使用されるナノマテリアルの形状面も研究されています。 MNP は、熱性能を評価するために使用される NP である、Cu、Al2O3、CuO の 3 つの形態のナノマテリアルで構成されています。 基本的な仮定は、フロー モデルの定義式を設計するために使用されます。 解法にはホモトピー摂動法(HPM)を用いた解析計算が行われます。 流れ特性、ナノマテリアルの熱的側面、および形状特徴に関する対応するパラメーターの包括的な分析が、グラフと表を通じて説明および反映されます。

ここでは、電気浸透とチャネル壁の全長に沿った正弦波の伝播の複合効果によって推進される、水性（水）イオン溶液に懸濁された、導電性の修飾ハイブリッドナノ流体、つまり Al2O3、CuO、Cu ナノ材料の流れです。一定速度cで考える。 チャネルの壁は柔軟であり、その上に大きな波長を有する正弦波の性質の移動波が重畳されると仮定しました。 デカルト座標 (x, y) が使用され、y 軸と x 軸はそれぞれ通常の位置と中心線に沿って確保されます。 外部電場が EDL を横切って x 軸方向に印加され、電気浸透力が生成されます。 改変ハイブリッドナノ流体は、体積分率１％のＡｌ２Ｏ３固体ナノ粒子、体積分率１％のＣｕＯ、および水（水）溶液中でＣｕ１％を混合することによって調製される。 分析は、可変粘度、磁場、粘性散逸、不均一および均一化学反応、およびジュール加熱の存在下で行われます。 数学的には、蠕動壁は次のように与えられます18:

ここで、 \(- \overline{H}(\overline{X},\overline{t})\) と \(+ \overline{H}(\overline{X},\overline{t})\) はそれぞれ下壁と上壁です (図 1 を参照)。 さらに、2 つの化学種 A および B が推定される、不均一 (または表面) 反応と均一 (またはバルク) 反応の間の相互作用の単純なテンプレート。 均一反応は、次の 22 で与えられる三次自己触媒作用によって表現できます。

そして不均一反応は 22 であると仮定します。

考慮されている問題のジオメトリ。

ここで、 \(\alpha\) と \(\beta\) は、それぞれ \(A\) と \(B\) の種の濃度です。 \({k}_{j}\left(j=s,c\right)\) は定数レートです。 また、これら 2 つの反応プロセスは触媒内で単一、一次、等温であると仮定されます。 ここで、これら 2 つの反応は同じ温度で進行することに注意することが重要です。

一般化されたオームの法則は次のように与えられます25:

この問題では、E = [Ex, 0, 0] および B = [0, B0,0] です。 式を使用したローレンツ力 (4) は次のようになります。

対称チャネルのポアソン方程式 25 は次のように特徴付けられます。

正味電荷密度 (\({\rho }_{e}\)) はボルツマン分布 25 に従い、次のように定義されます。

カチオンとアニオンは次のように指定されます33:

方程式の使用。 (6) の (7) と (8)、および Debye-Hückel 近似の実装 34:

境界条件付き33:

ここで \(\omega\) は電気浸透パラメータです。 それは次のように表現されます。

どこ、

式の解析解は次のようになります。 (9) 境界条件に従います (10) は次の形式になります。

電流の流れ構成の支配方程式は次のように記述されます 17、18、21、28:

方程式では、 \(\rho_{mnf} , \, \overline{P}\left( {\overline{X},\overline{Y},\overline{t}} \right), \, \overline{T }、\、K_{mnf}\)、\(\Phi\) はそれぞれ、修飾ハイブリッド ナノ流体の密度、圧力、ナノ液体の温度、修飾ハイブリッド ナノ液体の熱伝導率、熱吸収率を表します (表 1)。 二相流の場合、改変ハイブリッドナノ流体の熱物理的特性、つまり密度、熱容量、動粘度、電気伝導率は次のように与えられます14:

どこ

そして

どこ

そして

これらの特性の数値は表 2 を参照してください。表 1 において、ϕ1、ϕ2、ϕ3 は CuO、Cu、Al2O3 NP の体積分率です。 下付き文字 p1、p2、および p3 は、CuO、Cu、および Al2O3 ナノ粒子を示します。 また、ｍは形状係数であり、表１に各種形状係数の数値を示す。

固定参照系と可動参照系の間の変換は次のようにリストされます18:

式に変換を適用します。 (14)-(19) を取得すると、

レイノルズ粘度モデルは次のように定義されます。

後続の無次元量を使用すると、次のようになります。

「長波長および低レイノルズ数近似」を利用すると、式 (22) ～ (27) は次の形式になります。

\(A_{1}\)、\(A_{3}\)、および \(A_{4}\) は次のように定義されます。

そして

無次元境界条件は次のようにリストされます 34:

化合物 B と A の拡散係数は一般に同じではありません。 特定のケースとしては、それらのサイズが等しいと考えることができるため、DA = DB となります。 次に、方程式。 (33) と (34) は次の関係になります 21:

したがって、

関連する境界条件は次のようになります。

さらに、式間の圧力を取り除くと、 (30) および (31):

微分システムのみなしホモトピー方程式は次の形式になります。

関連する線形演算子は次のように受け取られます。

初期の推測は次のように説明されます。

級数拡張は次のように表されます。

微分方程式の 2 次、1 次および 0 次系が達成され、Mathematica ソフトウェアの助けを借りて解決されます。 HPM プロセスは、図 2 に段階的な図として示されています。

HPMのフローチャート。

同様に、二次システムも実現されます。 上記のシステムのソリューションは、次のセクションでグラフと表を使用して分析されます。

このパートでは、対称チャネルを通る改良されたハイブリッド ナノ流体の流れの流れと熱伝達性能におけるいくつかの関連パラメーターの影響が詳細に解析的に分析されます。

図 3a ～ 図 3c は、Sc、Ks、および K の変化に対する濃度プロファイルの結果を示しています。図 3a は、Sc が高くなると濃度プロファイルが減少することを示しています。 シュミット数は、質量拡散と運動量拡散のさまざまなプロセスが発生する液体の流れを特徴付けるためです。 この傾向は、Alarabi et al.22 と一致しています。 したがって、Sc 値が高くなると質量拡散速度が低下し、粒子が散乱するため、濃度の低下が見られます。 図３ｂから、不均一な反応パラメータの値が大きいほど濃度が高まることが観察される。 一方、図3cに示すように、Kを変化させると、濃度の逆の挙動が観察されます。

(a–c) さまざまな埋め込みパラメータの変化の速度プロファイル。

このサブセクションでは、修飾されたハイブリッド ナノ粒子を含むナノ流体の温度を調査します (図 4a ～ e を参照)。 図 4a は、修飾されたナノ流体の温度曲線が ϕ3 が大きくなると低下することを予測しています。 作動液体にナノ材料を添加すると、材料の熱伝達能力が向上します。 これは温度の低下につながります。 したがって、この修正モデルは、冷却剤が使用される機械装置の機構にとって非常に重要です。 この発見は、Abbasi et al.14 と一致します。 図4bは、修飾されたナノ流体の温度がパラメータωの増加とともに大幅に上昇することを示しています。 電気浸透力は、液体粒子間の衝突を増加させる流れの抵抗力であることはよく理解されています。 流れの方向に移動する粒子の内部運動エネルギーは、衝突の頻度が増加するにつれて増加し、その結果、温度が上昇します。 図 4c は、S の増加により修飾されたナノ流体の温度が大幅に上昇することを示しています。 物理的には、これは散逸した電気エネルギーが熱エネルギーに変換されることによるものです。 同様の傾向は、より高い M でも見られます (図 4d を参照)。 ナノマテリアルの幾何学衝撃現象はさまざまな形状で例示されており、これは、mの値を変えると温度場でさまざまな形状のNPに衝撃を与えることが反映されています（図4eを参照）。 レンガ形状の NP は他の形状の NP よりも多くの熱を生成することがわかります。 円筒形やプレート形の NP に比べてレンガ形の NP が優勢ですが、ブレード形の NP が最低温度を示します。

(a – e) さまざまなパラメータの変化に対する θ。

表 3 は、壁での熱伝達率の挙動を確認するために作成されたものです \(\left( { - \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)} \right)\) は、管理パラメータのさまざまな値を表します。 表 3 の最初の列は、ナノ粒子体積分率の増加に伴う \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) の増加を示しています。は、Akbar et al.18 と一致しています。 表 3 の 2 列目は、ω が \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) を上昇させることを示しています。蠕動ポンプが補助されるように取り付けられています。 S についても同様の動作が見られます (3 番目の列を参照)。 4 番目の列は、\(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) が M を改善することによって増加することを示しています。磁場が印加されると、修飾されたハイブリッドナノ流体の温度が上昇し、それによって壁での熱伝達現象が改善されます。 \(- \frac{{k_{mnf} }}{{k_{f} }}\theta^{\prime}\left( h \right)\) は、他の形状の NP と比較してブレード形状の NP で大きくなります。 ブレード形状の NP は、技術システムの熱伝達を維持するために使用されます。

表 4 は、ベース流体 (H20)、通常のナノ流体 (Al2O3-H20)、ハイブリッド ナノ流体 (Cu + Al2O3-H20)、および改良ハイブリッド ナノ流体 (CuO + Cu + Al2O3-H20) が熱伝達率に与える影響を示しています。 修飾されたハイブリッド ナノ粒子を含む水は、ベース流体 (H2O)、通常のナノ流体 (Al2O3-H20)、ハイブリッド ナノ流体 (Cu + Al2O3-H20) と比較して熱伝達率が高いと結論付けられます。 これは、改良されたハイブリッド ナノ流体の熱伝導率の増加によるものです。

流れ場の温度分布は等温線に反映されます。 MおよびSの影響下での修飾ハイブリッドナノ流体の等温線が図1〜図4に描かれている。 5、6。 図 5a、b は、M を増加させると等温線に顕著な変化が生じることを示しています。 図 6A、B から、S を増加させることにより、捕捉された食塊が上昇することがわかります。

M の変化の等温線。

S の変化の等温線。

図 7a ～ 図 7e は、関連するさまざまなパラメーターに対する (Cu + CuO + Al2O3) 修飾ハイブリッド ナノ流体の速度の応答を調査するためにプロットされています。 図７ａから、修飾されたナノ流体の速度の大きさは、ＮＰの体積分率の増加とともに減少することが分かる。 これは、酸化アルミニウム NP (φ3) の体積分率が高く、液体の粘度が増加し、液体の動きに抵抗するためです。 この結果は、Abbasi et al.17 に従っています。 図 7b は、α の値が増加するにつれて速度が増加することを示しています。 これは、粘度が温度に依存する修飾されたナノ流体は、一定の粘度 (α = 0) を持つナノ流体の速度と比較して、チャネルの中央付近でより高い速度を反映することを意味します。 図 7c は、電気浸透パラメータを増加させるとナノ流体の流れが増加することを示しています。 ELD の現象は電気浸透パラメータに影響を与えます。 Uhs = −1.0 の場合、ω が大きくなると速度は低下します。 図 7d は、Uhs を強化することによってナノ流体の流れが減少することを概説しています。 補助電界の速度は高く、反対電界の速度は低くなります。 Uhs は、この場合の流れを支配する電場に依存しています。 印加される電場は Uhs と直接の関係があります。 したがって、Uhs の正の値では運動量方程式の妨げとなる力として作用し、負の値では流体の流れを維持します。 速度に関する同様の挙動は、より高いハートマン数でも見られます (図 7e を参照)。 ハルトマン数 (M) が増加すると、流れにローレンツ力が発生し、速度が減少します。

(a–e) M の変化に対する速度プロファイル。

図 8a ～ 図 8e は、さまざまな埋め込みパラメーターにわたる x に対する圧力勾配の変化を評価するために作成されています。 図 8a は、ナノ材料の濃度が増加するにつれて圧力勾配が減少することを示しています。 ナノマテリアルを追加すると、流体の流れに対する抵抗が増加し、圧力勾配が減少します。 図 8b では、粘度パラメーターの影響により、逆の傾向が見られます。 図８ｃから、電気浸透パラメータを改善することによって圧力勾配が減少する。 帯電した表面に EDL が存在すると流れが抑制されるため、圧力勾配が減少します。 図 8d は、Uhs を改善することによって圧力勾配が発達することを示しています。 圧力勾配は、M を増加させることによって抑制されます (図 8e を参照)。 M > 1 の場合、ハルトマン数を増加させる圧力勾配の変化が大きくなります。

(a–e) M の変化に対する圧力勾配。

分析結果 (HPM) と数値結果 (NDSolve) の比較も図 9 に示されています。両方の結果が一貫していることがわかります。

解析手法 (HPM) と数値手法 (NDSolve) で得られた結果の比較。

本研究は、水溶液中のAl2O3、CuO、Cu NPを含む修飾ハイブリッドナノ流体の蠕動運動における電磁流体力学、温度依存粘度、均一および不均一化学反応速度の集合的な効果を明らかにする。 重要な観察結果を以下に列挙します。

不均一な反応パラメータは濃度プロファイルの向上に役立ちますが、均一な反応パラメータは濃度を低下させます。

修飾された HNF の温度は、電気浸透パラメータの増加に伴って大幅に上昇します。

境界における熱伝達率は、他の形状の NP と比較して、ブレード形状の NP の方が大きくなります。

改良されたハイブリッドナノ流体は、ベース流体（H2O）、通常のナノ流体（Al2O3-H20）、ハイブリッドナノ流体（Cu + Al2O3-H20）と比較して優れた熱伝達率を持っています。

ハートマン数が増加すると、等温線は顕著な変化を示します。

圧力勾配の発達は、ヘルムホルツ・スモルコウスキー速度を改善することによって得られます。

この理論的研究の結果は、直線および湾曲したチャネルを通る他のさまざまなニュートンナノ流体について議論することによって拡張できます。 さらに、境界での滑り状態を考慮することで、この研究は現実を正確に把握できます。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

電流密度

Al2O3 ナノ粒子の体積分率

流体の熱膨張係数

波数

Cuナノ粒子の体積分率

重力による加速度

流体の電気伝導率

無次元発熱・吸収パラメータ

流路壁の温度

無次元の圧力

壁の温度

波形フレーム内の無次元流量

プラントル数

レイノルズ数

ブリンクマン番号

エッカート数

流体の密度

グラショフ数

ハートマン数

無次元温度

ストリーム機能

印加磁場

印加電界

Cuo ナノ粒子の体積分率

寸法温度

次元発熱・吸収パラメータ

実験室フレームにおける無次元流量

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Jun Wang は、中国の NNSF (助成金 11971202) および江蘇省の Outstanding Young 財団 No. BK20200042 から支援を受けました。

江蘇大学応用システム解析研究所、鎮江市、212013、江蘇省、中華人民共和国

アラファト・フセイン & ジュン・ワン

COMSATS イスラマバード大学数学部、イスラマバード、パキスタン

ヤシル・アクバル＆リアズ・シャー

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YA: 監修、概念化、形式分析、執筆 - 原案、執筆 - レビューと編集。 AH: データのキュレーション、調査、方法論、執筆 - 原案、執筆 - レビューと編集。 JW: ソフトウェア、形式分析、執筆 - レビューと編集。 RS: データのキュレーション、方法論、資金調達、執筆 - レビューと編集。

王俊への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Hussain、A.、Wang、J.、Akbar、Y. 他。 化学反応を伴う修飾ハイブリッドナノ流体の電気浸透変調蠕動流の熱効率が向上します。 Sci Rep 12、13756 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17522-3

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受信日: 2022 年 5 月 9 日

受理日: 2022 年 7 月 26 日

公開日: 2022 年 8 月 12 日

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

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