Аналіз методом скінченних різниць впливу числа Прандтля та об'ємної частки частинок на тертя по поверхні та перенос тепла у двофазному потоці, обумовленому плавучістю, зі зваженими частинками (SPM)
Анотація
Було проведено числове дослідження нестисливого, ламінарного двофазного потоку, що залежать від плавучості, що містить зважені частинки навколо вертикальної пластини. Незважаючи на актуальність таких систем, попередні дослідження значною мірою ігнорували природні конвекційні двофазні потоки з твердими частинками, особливо щодо ролі таких параметрів, як число Прандтля та об'ємна частка. Заповнення цієї прогалини в дослідженнях є критично важливим, оскільки ці параметри суттєво впливають на поведінку потоку та теплопередачу, які є життєво важливими в екологічних, промислових та теплових застосуваннях. Це дослідження зосереджено на вивченні впливу об'ємної частки та числа Прандтля на характеристики двофазного потоку за допомогою неявного методу скінченних різниць, застосованого до неоднорідної сітки. Аналіз оцінює поведінку прикордонного шару, швидкість теплопередачі та коефіцієнти тертя поверхневого шару. Картини ліній струму проілюстровано для різних значень числа Прандтля, тоді як контурні топології представлені для демонстрації комбінованого впливу числа Прандтля та об'ємної частки на тертя поверхневого шару та швидкість теплопередачі. Результати показують, що збільшення об'ємної частки зменшує як число Нуссельта, так і коефіцієнт тертя поверхневого шару, тоді як вище число Прандтля посилює обидва. Покращена теплова реакція, що спостерігається при вищих числах Прандтля, особливо корисна у виробничих процесах, що включають плоскі стінкоподібні структури, схильні до термічних напружень. Ці висновки мають практичне значення для проектування та оптимізації теплообмінників, систем змащення та рішень для терморегулювання в електронних пристроях.
Завантаження
Посилання
M.A. Arabi, and B. Sakr, “Natural convection heat transfer from inclined isothermal plates”, International J. Heat Mass Transfer,” 31(3), 559-565 (1988). https://doi.org/10.1016/0017-9310(88)90037-3
W. Lin, S.W. Armfield, and P.L. Morgan, “Unsteady natural convection boundary-layer flow along a vertical isothermal plate in a linearly stratified fluid with Pr>1,” International J. Heat Mass Transfer, 45, 451-459 (2002). https://doi.org/10.1016/s0017-9310(01)00154-5
F. Kimura, K. Kitumara, M. Yamaguchi, and T. Asami, “Fluid flow and heat transfer of natural convection adjacent to upward-facing inclined heated plates,” Heat Transfer-Japanese Research, 32(3), 278-291 (2003). https://doi.org/10.1002/htj.10091
S. Siddiqa, M.A. Hossain, and S.C. Saha, “Two-phase natural convection flow of a dusty fluid,” International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 25(7), 1542-1556 (2015). https://doi.org/10.1108/hff-09-2014-0278
H. Gasmi, U. Khan, A. Zaib, A. Ishak, S.M. Eldin, and Z. Raizah, “Analysis of mixed convection on two-phase nanofluid flow past a vertical plate in Brinkman-extended Darcy porous medium with Nield conditions,” Mathematics, 10(20), 3918 (2022).
A. Kitagawa, R. Kobayashi, P. Denissenko, and Y. Murai, “Natural convection heat transfer enhancement using bubble injection between vertical parallel plates,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 202, 123658 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123658
D. Khan, G. Ali, P. Kumam, M.Y. Almusawa, and A.M. Galal, “Time fractional model of free convection flow and dusty two‐phase couple stress fluid along vertical plates,” ZAMM‐Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 103(5), e202200369 (2023). https://doi.org/10.1002/zamm.202200369
A.M. Obalalu, M.O. Oni, U. Khan, A. Abbas, T. Muhammad, and A. Zaib, “Two-phase numerical simulation for the heat and mass transfer evaluation across a vertical deformable sheet with significant impact of solar radiation and heat source/sink,” Arabian Journal for Science and Engineering, 49(8), 11053-11071 (2024). https://doi.org/10.1007/s13369-023-08585-z
R.H. Hameed, Q.R. Al-Amir, H.K. Hamzah, F.H. Ali, and A. Alahmer, “Enhancing Natural Convection Heat Transfer Through Dome-Shaped Nanofluid Enclosures: Two-Phase Simulation Analysis,” Heat Transfer Engineering, 46(15), 1331-1356 (2024). https://doi.org/10.1080/01457632.2024.2378562
M. Shi, Z. Duan, X. Zhao, Z. Wang, S. Liu, and H. Xue, “Experimental investigation on two-phase flow instability induced by direct contact condensation in open natural circulation,” Energy, 292, 130547 (2024). https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.130547
S. Akter, A. Hossain, M.M. Islam, and M.M. Molla, “Finite difference simulation of natural convection of two-phase hybrid nanofluid along a vertical heated wavy surface,” Journal of Taibah University for Science, 18(1), 2358548 (2024). https://doi.org/10.1080/16583655.2024.2358548
N.H. Zamri, A.R.M. Kasim, M.H. Hassan, T.L. Hassan, S.M. Zokri, N.S. Arifin, and A.A. Taofeeq, “Theoretical Analysis of Two-Phase Mixed Convection Flow: Effects of Fluid-particle Interaction and Mass Concentration on Velocity, Temperature and Skin Friction. Journal of Advanced Research in Computing and Applications, 38(1), 23-38 (2025). https://doi.org/10.37934/arca.38.1.2338
S.L. Soo, Fluid Dynamics of Multiphase Systems, (Blaisdell Publishing co., Waltham MA, 1967)
P.K. Tripathy, T. Samantara, and S. Kanungo, “Radiation effect on convective boundary layer dusty flow over a stretching surface,” AIP Advances, 14(3), 035151 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0188957
J. Mishra, T. Samantara, and P.K. Tripathy, “Effects of Electrification and Transverse Force on Dusty Flow over a Linear Stretching Sheet,” CFD Letters, 16(2), 151-161 (2024). https://doi.org/10.37934/cfdl.16.2.151161
S.J. Li, L.T. Zhu, X.B. Zhang, and Z.H. Luo, “Recent advances in CFD simulations of multiphase flow processes with phase change,” Industrial & Engineering Chemistry Research, 62(28), 10729-10786 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00706
X. Wu, J. Huang, Y. Zhuang, Y. Liu, J. Yang, H. Ouyang, and X. Han, “Prediction Models of Saturated Vapor Pressure, Saturated Density, Surface Tension, Viscosity and Thermal Conductivity of Electronic Fluoride Liquids in Two-Phase Liquid Immersion Cooling Systems: A Comprehensive Review,” Applied Sciences, 13(7), 4200 (2023). https://doi.org/10.3390/app13074200
P. Barnoon, D. Toghraie, and S. Rostami, “Optimization of heating-cooling generators with porous components/cryogenic conductors on natural convection in a porous enclosure: Using different two-phase models and single-phase model and using different designs,” International Communications in Heat and Mass Transfer, 111, 104472 (2020). https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.104472
S. Alapati, “Simulation of natural convection in a concentric hexagonal annulus using the lattice Boltzmann method combined with the smoothed profile method,” Mathematics, 8(6), 1043 (2020). https://doi.org/10.3390/math8061043
O.R. Alomar, R.R. Mohammed, M.A. Mendes, S. Ray, and D. Trimis, “Numerical investigation of two-phase flow in anisotropic porous evaporator,” International Journal of Thermal Sciences, 135, 1-16 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.08.026
O.R. Alomar, “Analysis of variable porosity, thermal dispersion, and local thermal non-equilibrium on two-phase flow inside porous media,” Applied Thermal Engineering, 154, 263-283 (2019). https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.069
O.R. Alomar, M.A. Mendes, D. Trimis, and S. Ray, “Numerical simulation of complete liquid–vapour phase change process inside porous media: A comparison between local thermal equilibrium and non-equilibrium models,” International journal of thermal sciences, 112, 222-241 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2016.09.014
A.K. Rauta, “Modelling of two-phase flow over a stretching sheet with analysis of boundary layer flow and heat transfer characteristics,” International Journal of Mathematics Trends and Technology-IJMTT, 41 (2017). https://doi.org/10.14445/22315373/ijmtt-v41p519
A.K. Pati, and P. Jena, “Optimizing thermal performance of chemically reactive and thermally radiative nanofluid flow with convective heating and triboelectric effect of nanoparticles,” Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design, 8(7), 336 (2025). https://doi.org/10.1007/s41939-025-00923-y
A.K. Pati, A. Misra, and S.K. Mishra, “Thermal analysis of Ag-water nanofluid flow induced by a horizontally stretching cylinder with electrified nanoparticles,” Sigma Journal of Engineering & Natural Sciences, 43(4), (2025). https://doi.org/10.14744/sigma.2025.00111
A.K. Pati, A. Misra, and S.K. Mishra, “Heat and mass transfer analysis on natural convective boundary layer flow of a Cu-water nanofluid past a vertical Flat plate with electrification of nanoparticles,” Advances and Applications in Fluid Mechanics, 23(1), 1-15 (2019). https://doi.org/10.17654/fm023010001
S.S. Bishoyi, A.K. Pati, S. Mishra, A. Misra, and S.K. Mishra, “Lie group analysis of triboelectric nanoparticle influence on heat and mass transfer in buoyancy-driven nanofluid flow with multiple slip effects,” Journal of Electrostatics, 139, 104220 (2026). https://doi.org/10.1016/j.elstat.2025.104220
A.K. Pati, A. Misra, and S.K. Mishra, “Effect of electrification of nanoparticles on natural convective boundary layer flow and heat transfer of a Cu-Water nanofluid past a vertical flat plate,” International Journal of Engineering, Science and Mathematics, 6(8), 1254-1264 (2017).
S. Mishra, A.K. Pati, A. Misra, and S.K. Mishra, “Thermal performance of nanofluid flow along an isothermal vertical plate with velocity, thermal, and concentration slip boundary conditions employing Buongiorno’s revised non-homogeneous model,” East European Journal of Physics, (4), 98-106(2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-4-09
A.K. Pati, M.M. Rout, R. Sahu, I.S. Ramakoti, K.K. Panda, and K.C. Sethi, “Chemical reaction, electrification, Brownian motion and thermophoresis effects of copper nanoparticles on nanofluid flow with skin friction, heat and mass transfer,” East European Journal of Physics, (4), 152-158 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-4-14
B. Otterman, “Particle migrations in laminar mixing of a suspension with a clear fluid”, ZAMP, 20, 730-749 (1969). https://doi.org/10.1007/bf01590631
A. Misra, S.K. Mishra, and J. Prakash, “Modeling electrification of suspended particulate matter (SPM) in a two-phase laminar boundary layer flow and heat transfer over a semi-infinite flat plate,” Int. Commun. Heat Mass Transf. 38(8), 1110-1118 (2011). https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.05.015
S.K. Mishra and P.K. Tripathy, “Mathematical and Numerical modeling of two-phase flow and heat transfer using non-uniform grid”, Far East journal of Applied Mathematics, 54(2), 107-126 (2011).
L.F. Shampine, and J. Kierzenka, “A BVP Solver based on residual control and the MATLAB PSE,” ACM Trans. Math. Softw. 27(3), 299-316 (2001). https://doi.org/10.1145/502800.502801
Авторське право (c) 2026 Сасанка Сехар Бішойї, Сакамбарі Мішра, Адітья Кумар Паті, Прасанта Кумар Рат
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).
