Біотермальна конвекція в пористому середовищі, яке насичене нанорідиною та містить гіротактичні мікроорганізми, під зовнішнім магнітним полем
Анотація
Вивчення теплової конвекції в пористих середовищах, які насичені нанорідиною та мікроорганізмами, є важливим завданням для багатьох геофізичних та інженерних програм. Концепція суміші нанорідин та мікроорганізмів приваблює багатьох дослідників через її здатність покращувати теплові властивості та, як наслідок, швидкості теплообміну. Ця властивість активно використовується як в електронних системах охолодження, так і біофізиці. Таким чином, метою цього дослідження є вивчення біотермальної нестійкості в пористому середовищі, яке насичене нанорідиною на водній основі, що містить гіротактичні мікроорганізми, у присутності вертикального магнітного поля. Наявність зовнішнього магнітного поля як у природних, так і в технологічних ситуаціях, стимулювала нас у проведенні цього теоретичного дослідження. З використанням моделі Дарсі‑Брінкмана розглянуто лінійний аналіз конвективної нестійкості для обох вільних меж з урахуванням ефектів броунівської дифузії та термофорезу. Для проведення цього аналітичного дослідження було використано метод Галеркіна. Встановлено, що теплообмін здійснюється стаціонарною конвекцією без коливальних рухів. У стаціонарних режимах конвекції аналізуються нанорідини оксидів металів (Al2O3), металеві нанорідини (Cu, Ag) та напівпровідникові нанорідини (TiO2, SiO2). Збільшення чисел Чандрасекара та Дарсі значно покращує стабільність системи, але збільшення пористості та модифікованого біоконвекційного числа Релея-Дарсі прискорюють початок нестійкості. Для визначення перехідного режиму тепломасоперенесення застосовується нелінійна теорія, заснована на представленні методу рядів Фур'є. На малих проміжках часу числа Нуссельта та Шервуда мають коливальний характер. Числа Шервуда (масообмін) у часовому інтервалі досягають стаціонарних значень швидше, ніж числа Нуссельта (теплообмін). Це дослідження може допомогти у вивченні конвекції морської води в океанічній корі, а також у створенні біосенсорів.
Завантаження
Посилання
D. Ingham and L. Pop, Transport Phenomena in Porous Media (Elsevier, Oxford, 2005).
D. A. Nield and A. Bejan, Convection in porous media (Springer, New York, 2006).
P. Vadasz, '’Instability and convection in rotating porous media: A review,” Fluids, 4, 147-178 (2019), https://doi.org/10.3390/fluids4030147
S. Choi, “Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles,” in Development and applications of Non-Newtonian flows, Vol. 66, edited by D. A. Signier and H. P. Wang (ASME, New York, 1995) pp. 99-105.
J. Buongiorno, “Convective Transport in Nanofluids,” J. Heat Trans., 128, 240-250 (2005), https://doi.org/10.1115/1.2150834
D. Tzou, “Thermal instability of nanofluids in natural convection,” Int. J. Heat Mass Transf., 51, 2967-2979 (2008), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.09.014
D. A. Nield and A. V. Kuznetsov, “Thermal instability in a porous medium layer saturated by a nanofluid,” Int. J. Heat Mass Transfer, 52, 5796-5801 (2009), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.07.023
A. V. Kuznetsov and D. A. Nield, “Thermal instability in a porous medium layer saturated by a nanofluid: Brinkman model,” Transp. Porous Media, 81, 409-422 (2010), https://doi.org/10.1007/s11242-009-9413-2
B. S. Bhadauria and S. Agarwal, “Natural convection in a nanofluid saturated rotating porous layer: A nonlinear study,” Transp. Porous Media, 87, 585-602 (2011), https://doi.org/10.1007/s11242-010-9702-9
D. Yadav, G. S. Agrawal, and R. Bhargava, “Thermal instability of rotating nanofluid layer,” Int. J. Eng. Sci., 49, 1171-1184 (2011), https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2011.07.00
G. C. Rana and R. Chand, “On the onset of thermal convection in a rotating nanofluid layer saturating a Darcy-Brinkman porous medium: a more realistic model,” J. Porous Media, 18, 629-635 (2015), https://doi.org/10.1615/JPorMedia.v18.i6.60
U. Gupta, J. Ahuja, and R. K. Wanchoo, “Magneto convection in a nanofluid layer,” Int. J. Heat Mass Transfer, 64, 1163-1171 (2013), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.05.035
J. Ahuja, U. Gupta, and R. K. Wanchoo, “Hydromagnetic Stability of Metallic Nanofluids (Cu-Water and Ag-Water) Using Darcy-Brinkman Model,” Int. J. Geophys., 2016, 9 (2016), https://doi.org/10.1155/2016/5864203
J. Sharma, U. Gupta, and R. K. Wanchoo, “Magneto Binary Nanofluid Convection in Porous Medium,” Int. J. Chem. Eng., 2016, 8 (2016), https://doi.org/10.1155/2016/9424036
D. Yadav, R. A. Mohamed, H. H. Cho, and J. Lee, “Effect of Hall Current on the Onset of MHD Convection in a Porous Medium Layer Saturated by a Nanofluid,” J. App. Fluid Mech., 9, 2379-2389 (2016), https://doi.org/10.18869/acadpub.jafm.68.236.25048
J. Ahuja and U. Gupta, “Magneto convection of rotating nanofluids in porous medium: metals and semiconductors as nanoparticles,” Research Journal of Science and Technology, 09, 135-142 (2017), https://doi.org/10.5958/2349-2988.2017.00022.5
A. J. Chamkha, S. K. Jena, and S. K. Mahapatra, “MHD convection of nanofluids: A review,” J. Nanofluids, 4, 271-292 (2015), https://doi.org/10.1166/jon.2015.1166
J. Ahuja and J. Sharma, “Rayleigh-benard instability in nanofluids: a comprehensive review,” Micro and Nano Syst. Lett., 8, 21 (2020), https://doi.org/10.1186/s40486-020-00123-y
T. J. Pedley, N. A. Hill, and J. O. Kessler, “The growth of bioconvection patterns in a uniform suspension of gyrotactic microorganisms,” J. Fluid Mech., 195, 223-338 (1988)
N. A. Hill, T. J. Pedley, and J. O. Kessler, “Growth of bioconvection patterns in a suspension of gyrotactic microorganisms in a layer of finite depth,” J. Fluid Mech., 208, 509-543 (1989), https://doi.org/10.1017/s0022112088002393
T. J. Pedley and J. O. Kessler, “Hydrodynamic phenomena in suspensions of swimming microorganisms,” Ann. Rev. Fluid Mech., 24, 313-358 (1992), https://doi.org/10.1146/ANNUREV.FL.24.010192.001525
A. A. Avramenko, “Model of Lorenz instability for bioconvection,” Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 10, 68-76 (2010).
E. Lorenz, “Deterministic nonperiodic flow,” J. Atmos. Sci., 20, 130-141 (1963), https://doi.org/10.1175/1520-0469(1963)020<0130:DNF>2.0.CO;2
A. V. Kuznetsov, “The onset of nanofluid bioconvection in a suspension containing both nanoparticles and gyrotactic microorganisms,” Int. Commun. Heat Mass Transfer, 37, 1421-1425 (2010), https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.08.015
A. V. Kuznetsov, “Non-oscillatory and oscillatory nanofluid bio-thermal convection in a horizontal layer of finite depth,” Eur. J. Mech. B. Fluids, 30, 156-165 (2011), https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2010.10.007
S. Saini and Y. D. Sharma, “A Bio-Thermal Convection in WaterBased Nanofluid Containing Gyrotactic Microorganisms: Effect of Vertical Throughflow,” J. Appl. Fluid Mech., 11, 895-903 (2018), https://doi.org/10.29252/jafm.11.04.28062
N. Faiza, A. Shafiq, L. Zhao, and A. Naseem, “MHD biconvective flow of Powell Eyring nanofluid over stretched surface,” Aip Advances, 7, 065013 (2017), https://doi.org/10.1063/1.4983014
S. Zuhra, N. S. Khan, Z. Shah, and S. Islam, “Simulation of bioconvection in the suspension of second grade nanofluid containing nanoparticles and gyrotactic microorganisms,” Aip Advances, 8, 105210 (2018), https://doi.org/10.1063/1.5054679
S. M. Atif, S. Hussain, and M. Sagheer, “Magnetohydrodynamic stratified bioconvective flow of micropolar nanofluid due to gyrotactic microorganisms,” Aip Advances, 9, 025208 (2019), https://doi.org/10.1063/1.5085742
A. A. M. Arafa, Z. Z. Rashed, and S. E. Ahmed, “Radiative MHD bioconvective nanofluid flow due to gyrotactic microorganisms using AtanganaBaleanu Caputo fractional derivative,” Phys. Scr., 96, 055211 (2021),
https://doi.org/10.1088/1402-4896/abe82d
M. I. Asjad, N. Sarwar, B. Ali, S. Hussain, T. Sitthiwirattha, and J. Reunsumrit, “Impact of Bioconvection and Chemical Reaction on MHD Nanofluid Flow Due to Exponential Stretching Sheet,” Symmetry, 13, 2334 (2021), https://doi.org/10.3390/sym13122334
A. V. Kuznetsov and A. A. Avramenko, “Stability Analysis of Bioconvection of Gyrotactic Motile Microorganisms in a Fluid Saturated Porous Medium,” Transp. Porous Media, 53, 95-104 (2003), https://doi.org/10.1023/A:1023582001592
D. A. Nield, A. V. Kuznetsov, and A. A. Avramenko, “The onset of bioconvection in a horizontal porous-medium layer,” Transp. Porous Media, 54, 335-344 (2004), https://doi.org/10.1023/B:TIPM.0000003662.31212.5b
A. A. Avramenko and A. V. Kuznetsov, “The Onset of Convection in a Suspension of Gyrotactic Microorganisms in Superimposed Fluid and Porous Layers: Effect of Vertical Throughflow,” Transp. Porous Media, 65, 159-176 (2006),
https://doi.org/10.1007/s11242-005-6086-3
A. V. Kuznetsov, “The onset of thermo-bioconvection in a shallow fluid saturated porous layer heated from below in a suspension of oxytactic microorganisms,” Eur. J. Mech. B/Fluids, 25, 223-233 (2006), https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2005.06.003
D. A. Nield and A. V. Kuznetsov, “The cheng-minkowycz problem for natural convective boundary layer flow in a porous medium saturated by a nanofluid: A revised model,” Int. J. Heat Mass Transfer, 65, 682-685 (2013), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.06.054
M. Zhao, S. Wang, H. Wang, and U. S. Mahabaleshwar, “Darcy-Brinkman bio-thermal convection in a suspension of gyrotactic microorganisms in a porous medium,” Neural Comput. Appl, 31, 1061-1067 (2019), https://doi.org/10.1007/s00521-017-3137-y
A. Mahdy, “Gyrotactic Microorganisms Mixed Convection Nanofluid Flow along an Isothermal Vertical Wedge in Porous Media,” Int. J. Aerosp. Mech. Eng., 11, 840-850 (2017), https://doi.org/10.5281/zenodo.1130959
A. Alsenafi and M. Ferdow, “Dual solution for double-diffusive mixed convection opposing flow through a vertical cylinder saturated in a darcy porous media containing gyrotactic microorganisms,” Sci. Rep., 11, 19918 (2021), https://doi.org/10.1038/s41598-021-99277-x
H. A. Nabwey, S.M.M. EL-Kabeir, A. Rashad, and M. Abdou, “Gyrotactic microorganisms mixed convection flow of nanofluid over a vertically surfaced saturated porous media,” Alex. Eng. J., 61, 1804-1822 (2022), https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.06.080
S. Chandrasekhar, Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability (Dover, New York, 1981).
Y. Yang, Z. G. Zhang, E. A. Grulke, W. B. Anderson, and G. Wu, “Heat transfer properties of nanoparticle-in-fluid dispersions (nanofluids) in laminar flow,” Int. J. Heat Mass Transfer, 48, 1107-1116 (2005), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.09.038
J. C. Umavathi, D. Yadav, and M. B. Mohite, “Linear and nonlinear stability analyses of double-diffusive convection in a porous medium layer saturated in a maxwell nanofluid with variable viscosity and conductivity,” Elixir Mech. Engg., 79, 30407-30426 (2015)
S. Agarwal, N. Sacheti, P. Chandran, B. S. Bhadauria, and A. K. Singh, “Non-linear Convective Transport in a Binary Nanofluid Saturated Porous Layer,” Transp. Porous Med., 93, 29-49 (2012), https://doi.org/10.1007/s11242-012-9942-y
M. Zhao, S. Wang, S. Li, Q. Zhang, and U. Mahabaleshwar, “Chaotic Darcy-Brinkman convection in a fluid saturated porous layer subjected to gravity modulation,” Results Phys., 9, 1468-1480 (2018), https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.04.047
Авторське право (c) 2022 М.Й. Копп, В.В. Яновський, У.С. Махабалешвар
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
