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Oct 02, 2023

Un análisis de dinámica de fluidos computacional sobre Fe3O4.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4679 (2023) Cita este artículo 954 Accesos 9 Citas Detalles de métricas En la actualidad, los dispositivos electrónicos modernos suelen encontrarse con dificultades térmicas.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4679 (2023) Citar este artículo

954 Accesos

9 citas

Detalles de métricas

En la actualidad, los dispositivos electrónicos modernos suelen encontrarse con dificultades térmicas como resultado de una producción excesiva de calor o de una reducción de la superficie de exclusión del calor. El estudio actual tiene como objetivo inspeccionar el papel del óxido de hierro (III) en la mejora de la transferencia de calor sobre el disco giratorio en un flujo axisimétrico. El agua se utiliza como fluido base para transportar nanopartículas sobre el mecanismo de flujo simétrico giratorio. Además, se toma en consideración el enfoque de dinámica de fluidos computacional (CFD) para diseñar y calcular el presente problema. Para nuestra conveniencia, se consideran configuraciones de flujo axisimétricas bidimensionales para ilustrar los diferentes perfiles de flujo. Para los perfiles de velocidad radial, axial y tangencial, la magnitud de la velocidad, las líneas de corriente y los gráficos de superficie se evalúan con la solución de similitud en el módulo de dinámica de fluidos computacional. La solución de ecuaciones adimensionales y los resultados de simulaciones directas en el módulo CFD muestran una solución comparable del perfil de velocidad. Se observa que con un incremento en la concentración volumétrica de nanopartículas, la velocidad radial disminuye donde aumenta el movimiento tangencial del flujo. Las líneas de corriente se extienden alrededor de la superficie circular con el paso del tiempo. La alta fuerza de magnetización \(0 \le {{\mathrm{m}}_{1}}\le 6\) resiste el movimiento libre del nanofluido alrededor del disco giratorio. Tal investigación nunca se ha realizado, hasta donde saben los investigadores. Los resultados de este análisis numérico podrían usarse para el diseño, control y optimización de numerosos sistemas de ingeniería térmica, como se describió anteriormente, debido a la compleja física de los nanofluidos bajo la influencia del campo magnético y la inclusión de una geometría compleja. Los ferrofluidos son soluciones coloidales de nanopartículas metálicas. Este tipo de fluidos no existen en la naturaleza. Dependiendo de su finalidad, los ferrofluidos se producen mediante diversos procesos. Una de las características más esenciales de los ferrofluidos es que operan en un entorno de gravedad cero. Los ferrofluidos tienen una amplia gama de usos en ingeniería y medicina. Los ferrofluidos tienen varios usos, incluidos altavoces de control de calor y sellado sin fricción. En el ámbito de la medicina, sin embargo, el ferrofluido se utiliza en el tratamiento del cáncer mediante magnetohipertermia.

Las nanopartículas son útiles para diversos fines de diagnóstico, así como para el tratamiento exitoso de trastornos cardiovasculares. Las características físicas de las nanopartículas, incluidas las alteraciones de forma, superficie y tamaño, brindan mejores opciones de tratamiento, y estas cualidades físicas son en gran medida responsables de la distribución de las nanopartículas en la arteria. Las nanopartículas magnéticas están suspendidas en soluciones coloidales llamadas ferrofluidos. Estos fluidos no existen en el mundo natural. Dependiendo del propósito, los ferrofluidos se fabrican de diversas formas. Los ferrofluidos funcionan en un entorno de gravedad cero, que es una de sus características más esenciales. Los ferrofluidos ofrecen una amplia gama de usos en ingeniería y medicina. Los ferrofluidos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidos altavoces de control de calor y sellado sin costuras. El ferrofluido, por otro lado, se emplea en la profesión médica para curar el cáncer mediante magnetohipertermia. Los ferrofluidos son suspensiones coloidales de nanopartículas magnéticas de dominio único ultrafinas (3 a 10 nm) que pueden modificar sus características físicas cuando se aplica un campo magnético1,2. Sus usos son muchos y abarcan industrias tan diversas como la defensa, el espacio, la refrigeración y la medicina. Se han utilizado la dispersión de la luz, las pruebas de conductividad térmica, la reología, la difracción de neutrones en ángulo crítico y la dinámica browniana para investigar las modificaciones inducidas en el campo en las características del ferrofluido.

Sheikholeslami et al.3 investigaron la importancia del nanofluido que transporta nanopartículas de alúmina en un medio poroso utilizando la ley de Darcy. Bhandari et al.4 analizaron el flujo de nanofluidos a base de agua utilizando nanopartículas entre dos discos giratorios con viscosidad y conductividad térmica variables. Shojaeizadeh et al.5 realizaron un estudio experimental para investigar el efecto magnetoviscoso sobre nanofluidos magnéticos bajo la influencia de un campo magnético. Alsarrafet al.6 exploró el efecto del campo magnético sobre la transferencia de calor por convección en el tubo calentado utilizando nanofluidos híbridos. Dogonchi y Ganjii7 explicaron el impacto de la radiación térmica en la transferencia de calor en nanofluidos sobre una superficie que se estira con movimiento browniano. Rashad et al.8 describieron la convección natural magnetohidrodinámica en una cavidad cuadrada analizando el efecto del tamaño y la ubicación de la fuente-sumidero. Parvin et al.9 explicaron el impacto variable de la conductividad térmica en la convección natural de nanofluidos en un anillo. Algunos trabajos destacables sobre nanofluidos se presentan con fines de conocimiento10,11. Los estudios experimentales y teóricos sobre ferrofluidos han aumentado en los últimos años y han dado lugar a varias implicaciones medicinales y de ingeniería. Los ferrofluidos son suspensiones coloidales a nanoescala. Se puede utilizar una técnica química para crearlo. Uno de los usos más comunes del ferrofluido es sellar unidades de disco duro. Aumenta la salida acústica de los altavoces y evita que la bobina se sobrecaliente. También se puede utilizar como lubricante y refrigerante. Los ferrofluidos, por otro lado, son cruciales en el tratamiento del cáncer mediante hipertermia magnética en la profesión médica. En ausencia de gravedad, el ferrofluido puede fluir. Esta sección presenta una descripción general de la literatura sobre los desarrollos actuales en los cálculos de transferencia de calor y masa en el flujo de ferrofluidos. El sellado dinámico, las industrias electrónicas, el hardware informático, los aviones, los altavoces y la bioingeniería emplean ferrofluidos12,13. Salawu et al.14 discutieron el efecto de la fuerza de magnetización, la viscosidad variable y la conductividad térmica en el flujo giratorio de Von Karman de nanofluidos ferromagnéticos que estiran excesivamente los discos giratorios. Hussain et al.15 estudiaron el flujo compresible en la cavidad rectangular utilizando el enfoque de dinámica de fluidos computacional. Arshad y Hassan16 desarrollaron nanofluidos híbridos para la transferencia de calor entre discos giratorios permeables. Cummins et al.17 elaboraron el flujo a través de discos permeables con números de Reynolds bajos. Bilal et al.18 examinaron el efecto del factor de forma en nanofluidos híbridos entre discos permeables utilizando un modelo de flujo monofásico. Bashir et al.19 analizaron los fenómenos de termoforesis entre discos giratorios bajo el efecto de la radiación térmica. Animasaun et al.20 estudiaron la densidad del flujo magnético y los efectos de la fuente/sumidero de calor en la dinámica de los nanofluidos híbridos ternarios sobre el límite calentado por convección. La mejora de la transferencia de calor es un problema importante en diversas industrias, como los colectores solares, los intercambiadores de calor y los MEMS. La adición de partículas metálicas o no metálicas de tamaño nanométrico (nm) en el fluido base anfitrión (agua, aceites, etilenglicol) aumenta la conductividad térmica de estos fluidos. En consecuencia, aumenta la transmisión de calor. Durante la última década, en lugar de una, se distribuyen dos nanopartículas en los fluidos base para formar nanofluidos híbridos para incrementar la conductividad térmica de los fluidos. Bhandari et al.21 discutieron la mejora de la transferencia de calor utilizando ferrofluido sobre una superficie de estiramiento bajo la influencia magnética estática. Jalili et al.22 investigaron la transferencia de calor y masa de ferrofluido bajo efecto de succión e inyección. Gowda et al.23 exploraron la aplicación de la succión de Stefan en ferrofluido bajo el efecto dipolo magnético para mejorar la transferencia de calor. Animasaunet al.24 en su nuevo libro proporcionó un escrutinio y análisis exhaustivos de la relación entre la difusividad del momento y la difusividad térmica. Elnaqeeb et al.25 examinaron el efecto de la forma y la influencia de la succión en el flujo tridimensional de nanofluidos híbridos ternarios en caso de estiramiento dual. Saleem et al.26 elaboraron la termomigración y el movimiento browniano sobre la superficie horizontal utilizando tres partículas distintas distribuidas en un fluido base de agua. Cao et al.27 discutieron diferentes niveles de efecto de deslizamiento parcial en nanofluidos híbridos ternarios utilizando diferentes nanopartículas en un fluido base de agua. Acharya28 investigó los efectos del flujo de nanofluidos híbridos con condiciones de contorno térmicas sobre un cilindro circular. Acharya29 estudió los efectos del flujo de ferrofluido con diámetro de nanopartículas y sólido-líquido a través de un disco giratorio. Acharya30 analizó los efectos del nanofluido con nanopartículas con radiación térmica a través de un disco giratorio. Acharya31 investigó la pulverización de nanofluidos radiativos sobre un disco giratorio inclinado permeable con una fuente/disipador de calor. Acharya32 investigó los efectos del diámetro de las nanopartículas y de la nanocapa en el flujo de ferrofluido sobre un disco giratorio resbaladizo. Acharya et al.33 analizaron los aspectos de la optimización de la generación de entropía del flujo inestable de nanofluidos híbridos radiativos sobre un disco giratorio resbaladizo. Acharya et al.34 estudiaron las variaciones del flujo de nanofluidos por la influencia del diámetro de las nanopartículas. Acharya35 expresó la simulación de los patrones de flujo y el control térmico de la pulverización radiativa de nanofluidos en un disco giratorio inclinado. En la revisión de la literatura anterior, se ilustra la importancia de los nanofluidos mono, híbridos y ternarios en la mejora de la transferencia de calor y otras aplicaciones de ingeniería similares. Según los trabajos20,25,26,27, la transmisión de nanofluidos híbridos ternarios está magníficamente influenciada por la termomigración y el movimiento browniano y distintos fenómenos de convección.

En este trabajo se analiza la importancia de la mejora de la transferencia de calor de nanopartículas \({\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}\) en el flujo sobre un disco giratorio. Las ecuaciones del modelo que gobiernan el flujo se logran utilizando el sistema incompresible de Naiver-Stokes en presencia del efecto de fuerza de magnetización del cuerpo aplicado externamente. Para demostrar los resultados del estudio de manera más efectiva, se ha tenido en cuenta la configuración de la trama bidimensional. El modelo ha sido diseñado y calculado en COMSOL-Multiphysics. Los componentes tangenciales y de radiación de la velocidad, los contornos de presión, el patrón de líneas de corriente, el cambio en la magnitud de la velocidad a través de gráficos tridimensionales y el cambio en la magnitud de la velocidad en la superficie del disco se han elaborado a lo largo del tiempo. Además, el gráfico de líneas se presenta para representar el cambio en el movimiento del nanofluido alrededor del disco giratorio a lo largo del tiempo variable. Además, para las simulaciones se ha utilizado el método de los elementos finitos.

La Figura 1a muestra una ilustración esquemática del flujo causado por un disco giratorio en un tanque. El disco gira uniformemente alrededor del eje z, generando una capa límite 3D. Debido a que el flujo es simétrico, el flujo 3D se evaluó en un área bidimensional en el módulo CFD. Las velocidades radial y axial del nanofluido \(\left( {{\text{Fe}}_{3} {\text{O}}_{4} } \right)\) que transporta agua varían. La nanopartícula se selecciona para constituir nuestro nanofluido deseado debido a su amplia aplicación en ciencia e ingeniería. En un estudio experimental reciente, Shah et al.36 discutieron la importancia del nanofluido a base de agua \(\left( {{\text{Fe}}_{3} {\text{O}}_{4} } \right )\) para nanorefrigerante. Srinivasan et al.37 utilizaron nanofluidos a base de aceite de motor para mejorar la transferencia de calor en la placa usando \(\left( {{\text{Fe}}_{3} {\text{O}}_{4} } \right )\) nanopartícula. Afshari et al.38 estudiaron la mejora de la transferencia de calor en carcasas y tubos con aletas utilizando nanofluidos a base de agua y los emplearon \(\left( {{\text{Fe}}_{3} {\text{O}}_{4 } } \right)\) como una nanopartícula funcional. La técnica de similitud se aplica en la Fig. 1a para geometría 3D. El dominio computacional en el módulo CFD es la geometría bidimensional. Se contrastan estas dos técnicas de flujo giratorio para perfiles de velocidad.

(a) Geometría de flujo del problema, (b) malla de dominio CFD bidimensional del disco giratorio, (c) pasos involucrados en el procedimiento FEM.

El flujo de fluido magnético se describe como 4,13:

Aquí el término inercial \(\left( {I\frac{{d\omega_{p} }}{dt}} \right)\) es insignificante respecto del término de relajación \(\left( {I\frac{{\ omega_{p} }}{{\tau_{s} }}} \right)\).

Por (4), la ecuación. (2) se escribe como

El equilibrio del par magnético y viscoso se puede escribir a partir de (5) como:

Barci et al.39 han resuelto la relación en diferencias en el lado derecho de la ecuación. (6). Sugirió que un campo constante siempre impide la rotación libre de las partículas. Por tanto, las desigualdades inversas son imposibles en termodinámica. Lograron la siguiente relación utilizando la relación de velocidad de rotación y la velocidad angular de las partículas \({\omega }_{p}=(1-g)\Omega \). La derivación ya está hecha en 39 por lo que debemos omitirla. Para el par magnético se ha obtenido la siguiente relación13,40:

El número magnético efectivo \(\left( {m_{1} } \right)\) debido al campo magnético aplicado. De las ecuaciones. (6) y (7)

De (8) la viscosidad rotacional debida al campo magnético es \(\left( {\frac{3}{2}\mu_{n} \varphi_{1} m_{1} } \right)\). De (6) y (8)

Las propiedades físicas del ferrofluido son las siguientes40,41:

La densidad del nanofluido está determinada por la densidad del fluido base así como por la concentración en volumen. La densidad del nanofluido mejora a medida que aumenta la concentración de óxido de hierro (III). También afecta la viscosidad del nanofluido.

Debido a que se supone que el flujo es constante y simétrico, las Ecs. (1) y (9) pueden expresarse en coordenadas cilíndricas como 4,13,40:

Las condiciones de contorno son

En este caso, el disco gira con una velocidad angular constante a lo largo de un eje paralelo a su plano. El flujo tiene en cuenta las demandas de límites antideslizantes como lo sugieren Animasaun et al.24. En el disco, la capa de nanofluido se lleva consigo. Esta fina capa de nanopartículas es empujada hacia afuera por la fuerza centrífuga. Debido a la fuerza centrífuga, las partículas de fluido fresco se expulsan a medida que se mueven hacia el disco en dirección axial. Las nanopartículas se mantienen alejadas de la pared de forma segura combinando la fuerza centrífuga y el gradiente de presión radial.

El flujo giratorio de un nanofluido Fe3O4 a base de agua se ha modelado en el problema actual utilizando el módulo axisimétrico 2D del módulo de dinámica de fluidos computacional (CFD) de COMSOL Metaphysics. En la respuesta se utilizaron los siguientes parámetros físicos:

El dominio tiene ocho límites, como se ve en la Fig. 1b. El tamaño de elemento más alto utilizado es \(\left( {9 \times 10^{ - 4} } \right)\), mientras que \(\left( {4 \times 10^{ - 5} } \right)\ ) el tamaño de elemento más pequeño es. El factor de curvatura elegido es 0,3 y la tasa máxima de crecimiento del elemento es 1,15. Para diversas fracciones de volumen y parámetros magnéticos efectivos, se proporcionan gráficos de superficie de magnitud de velocidad, velocidad radial, tangencial y axial en el nanofluido. La Tabla 1 muestra los valores de las variables aplicadas en la solución. Las funciones de extrapolación cuadrática se utilizan en el módulo CFD para aproximar los resultados. El problema se resuelve utilizando componentes triangulares y cuadriláteros. La Tabla 2 muestra la descripción de malla de los componentes así como sus características. El número de generaciones es 300 y el error de la solución tiene la magnitud de \(\left( {10^{ - 5} } \right)\). La Tabla 3 muestra la comparación del trabajo de investigación actual con el trabajo publicado anteriormente. Muestra una buena concordancia entre el trabajo actual y el antiguo. La Figura 1c muestra el diagrama de flujo del procedimiento FEM.

Con condiciones de contorno

La presión reducida es

En esta sección, se analizan diferentes gráficos bidimensionales para analizar los resultados del estudio. El comportamiento del nanofluido sobre un disco giratorio bajo el efecto del campo magnético ha sido observado para distintos perfiles de estudio.

Las Figuras 2a a f representan el perfil de velocidad en la dirección radial. El perfil radial se generó en un tiempo establecido diferente: 0,2 s, 0,4 s, 0,8 s, 1,2 s, 1,6 s y 2 s. La Figura 2a muestra que en un tiempo de 0,2 s en el borde inferior se encuentra el máximo, mientras que la velocidad radial mínima se observa en el borde superior en un gráfico bidimensional. Vale la pena señalar que a medida que el tiempo aumenta a 0,4 s, la velocidad radial aumenta ligeramente (ver Fig. 2b). Las Figuras 2c, d, muestran que se ha observado que el movimiento radial de los nanofluidos disminuye a medida que se incrementa el tiempo de 0,8 a 1,2 s, respectivamente. Se ha observado un movimiento giratorio de nanofluidos en los bordes superior e inferior del disco giratorio a medida que el tiempo aumenta de 0,8 a 1,2 s. Este efecto también muestra que en la región cercana de rotación se observó un aumento en el perfil de velocidad radial a medida que avanza el tiempo. La Figura 2e, f demuestra la caída del movimiento radial de los nanofluidos giratorios; el campo de velocidad general ha disminuido hasta un 0,20%. El perfil de velocidad radial ha disminuido con la velocidad máxima observada en la dirección radial de 0,1 m/s. Se puede observar que a medida que pasa el movimiento radial. También se concluye que la presión generada en la esquina redonda del disco ayuda al flujo radial de nanofluido en la superficie inferior, mientras que se ha observado resistencia en la superficie superior del disco.

(a) Componente radial a 0,2 s, (b) Componente radial a 0,4 s, (c) Componente radial a 0,8 s, (d) Componente radial a 1,2 s, (e) Componente radial a 1,6 s, (f) Componente radial a los 2 s.

Se han generado gráficos de velocidad tangencial para el flujo rotacional de nanofluido en escalas de tiempo establecidas. Las Figuras 3a a f demuestran el comportamiento de la velocidad tangencial durante 0,2 s, 0,4 s, 0,8 s, 1,2 s, 1,6 s y 2 s, respectivamente. Aunque la velocidad tangencial máxima se encontró en tiempos de 0,2 sy 0,4 s, mientras que la velocidad mínima en la dirección tangencial se observó en la superficie superior e inferior del disco giratorio. También se logró el movimiento giratorio del fluido; además, el movimiento giratorio del fluido cerca de una superficie curva fue ligeramente mayor a 0,4 s en comparación con 0,2 s (ver Fig. 3a, b), las Fig. 3c, d describen el perfil de velocidad tangencial en veces 0,8 s y 1,2 s, respectivamente. La velocidad tangencial en ambos momentos experimenta un aumento moderado a lo largo de la gráfica bidimensional. La velocidad tangencial máxima observada alcanzada es de 0,13 m/s a 0,8 sy 1,2 s. Ahora, a medida que aumenta el tiempo, aumenta el flujo giratorio alrededor de la superficie curva del disco giratorio. El perfil de velocidad tangencial se observa en tiempos de 1,6 sy 2 s en la Fig. 3e, f, respectivamente. La velocidad tangencial máxima observada es de 0,13 m/s para los dos tiempos considerados. Vale la pena señalar que a medida que pasa el tiempo, el flujo giratorio alrededor de la superficie curva del disco giratorio comienza a expandirse y en la superficie superior del disco no hay movimiento del nanofluido en movimiento libre. Es decir, en el disco giratorio circundante se observa en toda la región una velocidad tangencial moderada de 0,06 m/s.

(a) Componente tangencial a 0,2 s, (b) Componente tangencial a 0,4 s, (c) Componente tangencial a 0,8 s, (d) Componente tangencial a 1,2 s, (e) Componente tangencial a 1,6 s, (f) Componente tangencial a los 2 s.

Las Figuras 4a a f representan la presión ejercida sobre los límites circundantes del disco giratorio bajo la impresión del campo magnético en tiempos de 0,2 s, 0,4 s, 0,8 s, 1,2 s, 1,6 s y 2 s, respectivamente. La Figura 4a muestra que cuando el fluido alcanza cierto movimiento debido a la rotación del disco, la presión máxima ejercida se observa en los límites adyacentes. La presión máxima obtenida es 20,6 Pa y cerca de la superficie curva del disco circular, se encontró un movimiento libre mínimo del fluido. La Figura 4b describe que con un incremento de 0,2 s en el tamaño del paso de tiempo, la presión en el flujo giratorio cae bruscamente de 20,6 a 6,76 Pa. La Figura 4c, d ilustra el perfil de presión del nanofluido giratorio a 0,8 sy 1,2 s. Vale la pena señalar que el perfil de presión cae aún más; este fenómeno ocurre debido al suave movimiento giratorio del nanofluido que no solo proporciona un camino establecido hacia el nanofluido sino que también disminuye abruptamente el perfil de presión. La Figura 4e muestra la presión ejercida debido al movimiento de rotación del nanofluido en el tiempo 1,6 s. El perfil de presión cae aún más de 6,76 a 3,66 Pa. Esto ocurre debido a la resistencia generada por la fuerza de Lorentz en el movimiento suave de los nanofluidos giratorios que eventualmente disminuye el perfil de presión. La Figura 4f demuestra el perfil de presión en el punto final en el rango de tiempo. La presión ejercida aumenta ligeramente de 3,66 a 4,06 Pa. Además, el perfil de presión asociado con el nanofluido giratorio muestra que en las superficies curvas del disco giratorio se observa una presión mínima, mientras que en la superficie inferior del disco giratorio, la presión ejercida es máxima.

(a) contornos de presión a 0,2 s, (b) contornos de presión a 0,4 s, (c) contornos de presión a 0,8 s, (d) contornos de presión a 1,2 s, € contornos de presión a 1,6 s, (f) contornos de presión a 2,0 s.

Las Figuras 5a a f se generan para ilustrar las líneas de corriente del flujo de nanofluido giratorio en tiempos de 0,2 s, 0,4 s, 0,8 s, 1,2 s, 1,6 s y 2 s, respectivamente. Se observó que las líneas de corriente cerca de la superficie curva del disco giratorio eran densas. Las Figuras 5a, b describen el patrón muy suave de líneas de corriente en tiempos de 0,2 sy 0,4 s, respectivamente. Las Figuras 5c, d señalan que alrededor de la superficie curva del disco y en la superficie plana superior se observan patrones de remolinos para las líneas de corriente. La Figura 5e demuestra que el patrón de remolino de líneas de corriente ha aumentado con un incremento en el tamaño del paso de tiempo. La Figura 5f mostró que a medida que aumentamos el tiempo, el patrón de remolino de líneas de corriente se vuelve cada vez más denso. Además, las líneas de corriente se establecieron en magnitud controlada y distribuidas uniformemente en todo el dominio bajo observación. El número total de líneas de corriente utilizadas para estudiar los patrones de flujo de las líneas de corriente se ajustó a cuarenta. La escala de distribución uniforme dispersaría el número total de líneas de corriente en todo el dominio igualmente espaciadas.

(a) Líneas de corriente a 0,2 s, (b) Líneas de corriente a 0,4 s, (c) Líneas de corriente a 0,8 s, (d) Líneas de corriente a 1,2 s, (e) Líneas de corriente a 1,6 s, (f) Líneas de corriente a 2,0 s.

Los gráficos tridimensionales se generan para demostrar el comportamiento del perfil de magnitud de la velocidad superficial. Las Figuras 6a a f describen el comportamiento del nanofluido sobre un disco giratorio en el sistema tridimensional a 0,2 s, 0,4 s, 0,8 s, 1,2 s, 1,6 s y 2,0 s, respectivamente. La Figura 6a muestra que en las superficies superior e inferior del disco giratorio, se logra el movimiento mínimo del nanofluido y alrededor de la superficie curva del disco se logra la velocidad máxima. La Figura 6b, c explica la magnitud de la velocidad superficial; la velocidad máxima alcanzada es 0,14 m/s a 0,4 s y 0,8 s, respectivamente. Vale la pena señalar que en una superficie curva, se logra la magnitud máxima del perfil de velocidad. El movimiento giratorio en las superficies superior e inferior también aumenta a medida que varía el tiempo. La Figura 6d revela que la magnitud del perfil de velocidad cae ligeramente en un 0,01%. La Figura 6e, f ilustra la magnitud de la superficie a 1,6 sy 2 s. Estos gráficos muestran que en la superficie superior e inferior, el nanofluido giratorio mejora a medida que varía el tiempo y, junto con una superficie curva, se logra un perfil de magnitud de velocidad máxima. La magnitud máxima de velocidad superficial obtenida es 0,12 m/s en ambos tiempos 1,6 s y 2,0 s, respectivamente. Además, se observa que la magnitud general de la velocidad superficial en todo el dominio ronda en todo momento alrededor de 0,06 m/s.

(a) Magnitud de la velocidad a 0,2 s en 3D, (b) Magnitud de la velocidad a 0,4 s en 3D, (c) Magnitud de la velocidad a 0,8 s en 3D, (d) Magnitud de la velocidad a 1,2 s en 3D, (e) Magnitud de la velocidad a 1,6 s en 3D, (f) magnitud de la velocidad a 2,0 s en 3D.

El cambio en la magnitud de la velocidad superficial en la superficie superior del disco giratorio se presenta en las figuras 7a a f en los momentos respectivos. Estos gráficos de la superficie superior también revelan el cambio detallado en la magnitud de la velocidad con una variación del paso de tiempo. Las Figuras 7a, b mostraron que la magnitud superficial máxima en la superficie superior del disco es de 0,14 m/s en tiempos de 0,2 sy 0,4 s, respectivamente. También vale la pena señalar aquí que el cambio en la magnitud de la superficie es visible. La región azul indica una velocidad mínima, la región verde denota una magnitud superficial moderada y la zona roja demuestra una magnitud de velocidad superficial máxima para tiempos de 0,2 s y 0,4 s. Las Figuras 7c, d representan la magnitud de la superficie en la superficie superior, la magnitud de la superficie ha disminuido en un 0,01% en el tiempo 1,2 s en comparación con 0,8 s. Los patrones observados para la magnitud de la velocidad superficial son distintos y claros para observar y analizar el cambio en la magnitud de la velocidad con diferentes tiempos. La Figura 7e, f describe la magnitud de la superficie en la superficie superior del disco giratorio en tiempos de 1,6 sy 2 s, respectivamente. Cabe mencionar que la magnitud máxima de la velocidad superficial alcanzada es de 0,12 m/s en tiempos de 1,6 sy 2 s. Además, la región roja comienza a aumentar con tiempos variables que describen el incremento en la magnitud de la velocidad superficial.

(a) Magnitud de la velocidad del disco a 0,2 s, (b) Magnitud de la velocidad del disco a 0,4 s, (c) Magnitud de la velocidad del disco a 0,8 s, (d) Magnitud de la velocidad del disco a 1,2 s, (e ) magnitud de la velocidad del disco a 1,6 s, (f) magnitud de la velocidad del disco a 2 s.

Las Figuras 8a, b muestran la importancia del campo de velocidad radial para los numerosos valores \(m_{1} \& \phi\). El campo de velocidad radial disminuye para los valores crecientes de ambos parámetros \(m_{1} \& \phi\). Las Figuras 8c, d muestran la importancia del perfil de velocidad tangencial para los numerosos valores \(m_{1} \& \phi\). El perfil de velocidad tangencial aumenta para los valores crecientes de ambos parámetros \(m_{1} \& \phi\). La Figura 8e, f muestra la importancia del perfil de velocidad axial para los numerosos valores \(m_{1} \& \phi\). El perfil de velocidad axial mejora para los valores crecientes de ambos parámetros \(m_{1} \& \phi\).

(a) Velocidad radial para los valores de \(m_{1}\), (b) velocidad radial para los valores de \(\phi\), (c) velocidad tangencial para los valores de \(m_{1}\) , (d) velocidad tangencial para valores de \(\phi\), (e) velocidad axial para los valores de \(m_{1}\), (f) velocidad axial para los valores de \(\phi\), (g) los efectos de un gráfico lineal.

El gráfico se traza para ilustrar el comportamiento general del perfil de velocidad en cada paso de tiempo (Fig. 8g). Se obtiene la magnitud de la velocidad en normal a la dirección de rotación y la caída abrupta justo en el centro se debe al disco giratorio. Se observa que después de pasar el disco giratorio se ha observado una expansión en la capa límite de momento a medida que varía el tiempo. El tamaño del paso de tiempo tomado es de 0,2 s; si se selecciona un tamaño de paso más pequeño, se habrían obtenido patrones más exclusivos y diversos.

Los resultados actuales han sido validados (Fig. 9a) con Bhandari et al.40 bajo la influencia variable de la concentración de nanopartículas (Fig. 9b). Los resultados obtenidos en este estudio están completamente de acuerdo con resultados anteriores ya publicados. Además, los resultados logrados en este estudio son más precisos y correctos y muestran la efectividad de la metodología propuesta utilizada en este estudio.

(a) Velocidad radial bajo la influencia del perfil de concentración de nanopartículas, (b) resultados obtenidos por 40 para la velocidad radial bajo la concentración variable de nanopartículas.

En este artículo, se analiza el papel de las nanopartículas \(\left( {{\text{Fe}}_{3} {\text{O}}_{4} } \right)\) en la mejora de la transferencia de calor en un Se ha investigado el disco giratorio. En el presente estudio se ha utilizado agua como fluido base. El enfoque de dinámica de fluidos computacional se utiliza en el presente análisis para ilustrar el flujo simétrico de nanofluido. Además, para nuestra conveniencia, hemos tenido en cuenta la configuración bidimensional del flujo axisimétrico para analizar el perfil variable de velocidades radiales y tangenciales en diferentes pasos de tiempo. Además, se ha discutido el efecto de la concentración de nanopartículas y la fuerza de magnetización sobre las velocidades radiales y tangenciales. Además, los resultados actuales del estudio han sido validados con resultados anteriores ya publicados y se encontró que están completamente de acuerdo. Según los resultados, la inclusión del nanomaterial \(\left( {{\text{Fe}}_{3} {\text{O}}_{4} } \right)\) redujo el sobrecalentamiento y favoreció la velocidad máxima. Los siguientes fueron algunos de los principales hallazgos:

Según estos hallazgos, mejorar la concentración de volumen y la viscosidad de rotación reduce el campo de velocidad.

Estos son los resultados de una comparación entre el módulo de dinámica de fluidos computacional (CFD) y la investigación adimensional.

Ambas estrategias se benefician mutuamente de los resultados. El análisis adimensional es fundamental para el análisis físico de los hallazgos. Sin embargo, el módulo de dinámica de fluidos computacional (CFD) es esencial para el seguimiento de partículas en tiempo real.

Estos hallazgos indican que ambos tipos de investigación son importantes para el avance del análisis de flujo turbulento.

Estos hallazgos podrían ayudar a mejorar el sellado de los dispositivos de disco duro.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Rosensweig, RE y Rosensweig, RE Ferrohidrodinámica 46–50 (Courier Corporation, 2013).

Google Académico

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Los investigadores desean agradecer al Decanato de Investigación Científica de la Universidad de Taif por financiar este trabajo.

Departamento de Matemáticas, Government College University Faisalabad, Faisalabad, 38000, Pakistán

Umar Farooq y Muhammad Imran

Departamento de Matemáticas, Universidad de Gujrat, Gujrat, 50700, Pakistán

Ali Hasan

Departamento de Matemáticas y Ciencias, Universidad Príncipe Sultán, Riad, 11586, Arabia Saudita

Nahid Fátima

Departamento de Matemáticas y Estadística, Facultad de Ciencias, Universidad de Taif, PO Box 11099, Taif, 21944, Arabia Saudita

MS Al-Qurashi

Departamento de Química, Government College Women University Faisalabad, Faisalabad, 38000, Pakistán

Sobia Noreen

Departamento de Ciencias de la Computación y Matemáticas, Universidad Libanesa Americana, Beirut, Líbano

Ali Akgul

Facultad de Arte y Ciencias, Departamento de Matemáticas, Universidad de Siirt, 56100, Siirt, Turquía

Ali Akgul

Centro de Investigación en Matemáticas, Departamento de Matemáticas, Universidad del Cercano Oriente, Near East Boulevard, 99138, Nicosia/Mersin 10, Turquía

Ali Akgul

Departamento de Matemáticas, Universidad Laghman, Laghman, 2701, Afganistán

Abdul Bariq

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UF modeló y resolvió el problema. M.1. y AH verificó y corrigió el manuscrito. SN y UF han contribuido en los cálculos numéricos y en el trazado de los resultados gráficos. NF y MSA mejoraron la estructura del lenguaje del manuscrito revisado y simularon los resultados para lograr mayor precisión. AA y AB revisaron el manuscrito revisado y técnicamente se realizó una corrección. Todos los autores están de acuerdo con el borrador final del archivo de envío.

Correspondencia a Abdul Bariq.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Farooq, U., Hassan, A., Fátima, N. et al. Un análisis de dinámica de fluidos computacional sobre el flujo axisimétrico de nanofluidos basado en Fe3O4-H2O sobre un disco giratorio con mejora de la transferencia de calor. Informe científico 13, 4679 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31734-1

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Recibido: 20 de diciembre de 2022

Aceptado: 16 de marzo de 2023

Publicado: 22 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31734-1

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