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Aug 16, 2023

Verbesserung der Wärmeübertragung bei Solarenergie

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9476 (2023) Diesen Artikel zitieren 1183 Zugriffe 1 Zitate 4 Altmetric Metrics Details Ziel dieser Forschung ist es, den Einsatz solarbetriebener Schiffe zu erforschen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9476 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ziel dieser Forschung ist es, den Einsatz solarbetriebener Schiffe (SPS) als Mittel zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen in der maritimen Industrie zu untersuchen. Die Studie konzentriert sich auf die Verbesserung der Wärmeübertragungseffizienz in SPS durch den Einsatz von Hybrid-Nanofluiden (HNF), die Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) enthalten. Darüber hinaus wird ein neuartiger Ansatz vorgeschlagen, der erneuerbare Energien und elektromagnetische Steuerung nutzt, um die Leistung von SPS zu verbessern. Die Forschung implementiert den nicht-Newtonschen Maxwell-Typ und das Cattaneo-Christov-Wärmeflussmodell in Parabolrinnen-Solarkollektoren, die für Schiffe verwendet werden. Die Studie führt theoretische Experimente und Simulationen durch, um die Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des CNT-basierten HNF zu bewerten. Verschiedene Eigenschaften, darunter solare Wärmestrahlung, viskose Dissipation, Rutschgeschwindigkeit und poröse Medien, werden bewertet, um die Wirksamkeit des Wärmetransports in SPS zu bestimmen. Die Forschung verwendet Ähnlichkeitsvariablen, um die komplexen partiellen Differentialgleichungen in gewöhnliche Differentialgleichungen zu vereinfachen, und löst sie mithilfe der Tschebyscheff-Kollokationsspektralmethode. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das MWCNT-SWCNT/EO-Hybrid-Nanofluid die Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessert und dadurch die Wärmeübertragung verbessert. Der HNF weist einen Wirkungsgrad von ca. 1,78 % bei einem Mindestwirkungsgrad von 2,26 % auf.

Der weltweite Energiebedarf steigt weiter, aber die Erschöpfung fossiler Brennstoffe und die steigenden Kosten traditioneller Energiequellen wie Strom haben dazu geführt, dass Wissenschaftler in den letzten Jahren ihren Fokus auf erneuerbare Energien verlagert haben1. Die Stromerzeugung aus nachhaltigen Quellen ist eine umweltfreundliche Art der Stromerzeugung, da keine Treibhausgase freigesetzt werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, was zur globalen Erwärmung beiträgt2. Darüber hinaus sind Umweltschützer fest davon überzeugt, dass die Nutzung nachhaltiger Ressourcen einen erheblichen Einfluss auf die Verringerung der Kohlenstoffbelastung und die Verlangsamung der globalen Erwärmung haben kann3. In den letzten Jahren hat sich Solarenergie aufgrund ihrer Zugänglichkeit, des Fehlens schädlicher Emissionen und der minimalen Umweltauswirkungen zu einer weithin diskutierten Option für nachhaltige Energie entwickelt, was sie zu einer äußerst attraktiven Wahl für die Energieerzeugung macht4. Solarenergie hat von allen Energiequellen das größte Potenzial für langfristige Nutzung, Zugänglichkeit und die geringsten negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Bei richtiger Nutzung hat diese Energiequelle das Potenzial, etwa das Vierfache der derzeit weltweit verbrauchten Strommenge zu erzeugen5. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die globalen CO2-Emissionen bis 2050 voraussichtlich um 75 % im Vergleich zu den Werten von 1985 sinken werden.6 Laut einer Studie des US-Energieministeriums erreicht die Menge an Sonnenenergie die Erdoberfläche Nur 90 Minuten reichen aus, um den weltweiten Energiebedarf für ein ganzes Jahr zu decken7. In einem Bericht aus den USA wurde festgestellt, dass Solarenergie als natürlicher Ersatz für andere Energieformen dienen kann. Darüber hinaus können Solarstromanlagen Wärmeenergie erzeugen, die zu Heiz- und Kühlzwecken genutzt werden kann. Daher geht es jetzt vor allem darum, herauszufinden, wie man die Energie der Sonne am effektivsten nutzen kann.

Zwei bekannte Methoden zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität sind derzeit weit verbreitet und sollten Ihnen bekannt sein: Photovoltaikanlagen (PV) und konzentrierte Solarenergie (CSE)8. PV-Systeme haben zahlreiche Anwendungen, darunter (a) die Stromerzeugung für Privathaushalte und Unternehmen9 (b) die Stromversorgung für Raumfahrzeuge und Satelliten10 (c) die Stromversorgung verschiedener Fahrzeugtypen wie Autos, Busse und Boote und (d) die Stromversorgung abgelegener Gebiete (RAPS)-System, das aus Generatoren, Straßenlaternen und drahtlosen Kommunikationsgeräten besteht, die Gebiete weit entfernt von städtischen Zentren mit Strom versorgen. Kurz gesagt: PV-Anlagen bieten eine umweltfreundliche, kostengünstige und wartungsarme Möglichkeit, Strom zu erzeugen, der nachhaltig ist und unabhängig vom Stromnetz arbeiten kann. Ein Photovoltaikgerät besteht hauptsächlich aus einem Halbleitermaterial, das Elektrizität durch Elektronen leitet. Im Gegensatz zu Leitern, die eine unbegrenzte Anzahl von Elektronen leiten können, besitzen Halbleiter einzigartige Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, den Elektronenfluss zu regulieren. Diese Eigenschaft macht Halbleiter zu wertvollen Komponenten für Photovoltaikgeräte. Unterdessen ist CSP eine Methode zur Stromerzeugung aus Sonnenstrahlen, bei der reflektierende Oberflächen oder optische Technologie verwendet werden, um das Sonnenlicht auf einen sehr kleinen Bereich zu konzentrieren und zu fokussieren. Dieses konzentrierte Sonnenlicht wird in Wärme umgewandelt, die zur Erzeugung von Dampf genutzt werden kann, der eine Turbine antreibt und Strom erzeugt11. CSP-Anlagen können große Mengen Strom erzeugen und sind besonders in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung von Vorteil. Darüber hinaus können diese Anlagen im großen Maßstab gebaut werden. Zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie kommt die sogenannte Concentrated Solar Power-Technologie zum Einsatz, bei der die Sonnenstrahlen durch Reflektoren oder Optiken auf eine kleine Fläche gebündelt werden. Bei diesem Prozess entsteht Wärme, die dann zur Stromerzeugung genutzt werden kann, indem sie durch einen elektrischen Generator geleitet wird. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nicht alle Technologien auf Spiegel zur Konzentration des Sonnenlichts angewiesen sind, da einige Optiken oder andere Systeme verwenden. Es sollte auch beachtet werden, dass die Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme durch einen physikalischen Prozess namens Absorption erfolgt12. Laut Ref. 13 begünstigen Gebiete mit trockenem und heißem Klima wie Kalifornien und Arizona in den Vereinigten Staaten die Entwicklung größerer Anlagen, die konzentrierte Solarenergie nutzen. Diese Form der erneuerbaren Energie wird aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit und des Fehlens schädlicher Schadstoffemissionen gegenüber nicht erneuerbaren Alternativen wie fossilen Brennstoffen bevorzugt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Solarenergie eine saubere und nachhaltige Option ist, die gegenüber herkömmlichen Energiequellen bevorzugt wird.

Derzeit ist die Verwendung von Schweröl (HFO) und Schiffsdieselöl (MDO) für den Industrietransport für etwa 3 % der gesamten globalen Kohlendioxidemissionen verantwortlich14. Basierend auf Referenz15 wurde berichtet, dass im Jahr 2015 etwa 932 Millionen Tonnen Schadstoffe in die Luft gelangten. Zum Vergleich: Diese Menge ist mehr als die Gesamtverschmutzung, die Deutschland im Jahr 2017 verursachte, was etwa 1,5 Millionen Tonnen betrug 905 Millionen Tonnen. Die von diesen Schiffen freigesetzten Schadstoffe enthalten zahlreiche schädliche Schadstoffe, die sich negativ auf die menschliche Gesundheit, die Umwelt und das Klima auswirken können. Darüber hinaus wird in Referenz 16 betont, dass die Abgase aus der Verbrennung von Schweröl eine Mischung aus Schwefeloxid, Verbrennungsnebenprodukten, Stickoxiden und Schwermetallen sowie Kohlendioxid umfassen. In jüngster Zeit untersuchen Forscher die Möglichkeit, Solarenergie zum Antrieb von Handelsschiffen zu nutzen. Ziel ist es, die Menge der von diesen Schiffen erzeugten Treibhausgase zu reduzieren. Die Nutzung von Solarenergie zum Antrieb von Schiffen wird von vielen Ländern als wünschenswerte Option angesehen, da sie den Bau umweltfreundlicher Schiffe ermöglicht. Im 19. Jahrhundert war der französische Wissenschaftler Augustin Mouchot der erste, der die Idee vorschlug, Sonnenenergie als Antriebsquelle für Schiffe zu nutzen17. Die ersten betriebsbereiten solarbetriebenen Schiffe wurden in den 1970er Jahren gebaut und dienten vor allem der Freizeitgestaltung. 1990 wurde in der Schweiz die Sun 21 montiert, das erste kommerzielle Transportmittel, das mit Solarenergie betrieben wurde. Bei diesem Boot handelte es sich um einen Katamaran, der über zwei Elektromotoren verfügte, die von auf der Bootsoberfläche angebrachten Solarpaneelen angetrieben wurden. Im Anschluss an diese bahnbrechende Entwicklung wurden zahlreiche solarbetriebene Schiffe entwickelt und in verschiedenen Branchen eingesetzt, beispielsweise im Gütertransport sowie in der wissenschaftlichen Forschung18. Das Hauptziel bei der Entwicklung solarbetriebener Schiffe besteht darin, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und die Umweltauswirkungen der Schifffahrt zu verringern. Die Schifffahrtsindustrie ist für einen erheblichen Teil der Treibhausgasemissionen verantwortlich und solarbetriebene Schiffe bieten eine sauberere und nachhaltigere Alternative. Durch die Nutzung der Kraft der Sonne können diese Schiffe ihren CO2-Fußabdruck reduzieren und ein umweltfreundlicheres Transportmittel darstellen. Laut Referenz19 hat sich die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) das Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen des Verkehrs bis zum Jahr 2050 um mindestens 50 % zu reduzieren. Dieses Ziel ist Teil der Bemühungen der IMO, den Klimawandel anzugehen und eine nachhaltige Entwicklung in der Welt zu fördern maritime Industrie. Die von Obalalu et al.20 durchgeführte Studie konzentriert sich auf die Bewertung der Effizienz der Wärmeübertragung in einem solarbetriebenen Schiff, das Mono-/Hybrid-Nanoflüssigkeiten für Solarwasserpumpen verwendet. Die Analyse berücksichtigt die Sonnenstrahlung als primäre Wärmequelle und untersucht verschiedene Faktoren wie den Wärmestrahlungsfluss, die viskose Dissipation und die Wärmequelle, um die Leistung des Schiffes zu bestimmen. Es wurde der Schluss gezogen, dass der relative Anteil der Wärmeübertragungsrate bei Hybrid-Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu Nanoflüssigkeiten um 24 % erhöht ist. Die Forschungsarbeiten von Bellos et al.21 unterstreichen die Bedeutung der Durchführung umfassender thermischer und Entropieanalysen in solarthermischen Systemen. Darüber hinaus schlägt die Studie den Einsatz von Nanoflüssigkeiten vor, um die Leistung von Parabolrinnen-Solarkollektoren (PTSCs) zu verbessern. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die relative Wärmeübertragungsrate deutlich zunimmt, wenn die Durchlässigkeit des durchlässigen Mediums von 1,6 auf 14,9 % steigt. Gemäß der Studie von Kirkpatrick22 über Oberflächenkampfschiffe der Marine wurde die Effizienz der installierten Photovoltaikanlagen bewertet. Die Studienergebnisse zeigten, dass das zusätzliche Gewicht, das durch die Installation von Solarzellen verursacht wird, im Vergleich zum Gewicht kritischer Vorräte, einschließlich Treibstoff und Nahrungsmittel, die für Schiffe während der Reise unverzichtbar sind, unbedeutend ist. Eine von23 durchgeführte Studie untersuchte die Machbarkeit des Einsatzes von Sonnenkollektoren als Energiequelle auf kleinen Fischereifahrzeugen, die in abgelegenen Gebieten operieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Platzierung von Solarpaneelen auf dem Boot zusätzlichen Luftwiderstand verursachen kann, der den Kraftstoffverbrauch erhöhen könnte, insbesondere bei windigen Bedingungen. Hussein et al.24 führten Untersuchungen durch, die auf die Machbarkeit der Nutzung von Photovoltaiksystemen als Mittel zur Erzeugung erneuerbarer Energie auf Schiffen hinweisen und so die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen verringern. In der Studie von Lan et al.25 führten die Forscher eine Methodik ein, die darauf abzielt, den optimalen Anteil der Photovoltaik-Systemintegration für den Schiffsstrombetrieb zu ermitteln. Ziel dieses Ansatzes ist es, Finanzierungskosten, Treibstoffkosten und Motoremissionen zu reduzieren. Darüber hinaus führten sie weitere Untersuchungen durch, um die Neigungswinkelcharakteristik der auf einem großen Öltransportschiff installierten Photovoltaikmodule zu verbessern. Abbildung 1 zeigt ein Schiff, das mit Solarenergie betrieben wird.

Zeigt das solarbetriebene Schiff.

In den letzten Jahren erfreuen sich Nanoflüssigkeiten zunehmender Beliebtheit als Arbeitsflüssigkeit für verschiedene Heizanwendungen, darunter auch Solarkollektoren. Dies liegt an ihrer Wirksamkeit bei der Verbesserung der Wärmeübertragung26. Parabolrinnensolarkollektor (PTSC) ist eine Art Solarenergiegerät, das die Energie der Sonne nutzt, indem es einen konkaven Spiegel verwendet, um Sonnenlicht zu reflektieren und auf ein Rohr zu konzentrieren, das eine Flüssigkeit enthält, die wiederum die Wärme absorbiert und in nutzbare Energie umwandelt. Es ist gängige Praxis, eine Wärmeübertragungsflüssigkeit (HTF) zum Füllen des Empfängerrohrs27 zu verwenden. Der Zweck des HTF besteht darin, Wärmeenergie an einen Wärmetauscher zu übertragen, wo sie zur Erzeugung von Dampf zur Stromerzeugung genutzt wird. Mehrere Forschungsstudien haben ergeben, dass der Einsatz von Nanoflüssigkeiten als Wärmeübertragungsflüssigkeiten in Parabolrinnen-Solarkollektoren die Gesamteffizienz des Systems steigern kann. Dies ist auf die überlegenen thermischen Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigkeiten zurückzuführen. Zu diesen Eigenschaften gehören eine höhere Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. Darüber hinaus führt das Vorhandensein von Nanopartikeln in Nanoflüssigkeiten zu einer größeren Oberfläche für die Wärmeübertragung, was letztendlich die Wirksamkeit des Systems verbessert28. Die verbesserte Leistung von Parabolrinnen-Solarkollektoren, die durch den Einsatz von Nanoflüssigkeiten erreicht wird, hat erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung nachhaltiger Energiequellen in der Zukunft. Durch den Einsatz effizienterer Arbeitsflüssigkeiten kann die durch Sonnenlicht erzeugte Energie gesteigert werden. Dieser Ansatz kann zu einer geringeren Abhängigkeit von natürlichen Brennstoffen führen, was wiederum dazu beitragen kann, die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern.

Nanofluide (NF) sind für ihre besonderen thermischen Eigenschaften bekannt, die die Wärmeübertragungseffizienz von Solarstromanlagen (SPS)29 erheblich verbessern können. Nanofluid (NF) ist ein Begriff, der eine Flüssigkeitsmischung beschreibt, die Nanopartikel (NPs) aus metallischen (Gold, Titandioxid, Eisen) oder nichtmetallischen (Polyethylenglykol, Zinkoxid, Siliziumdioxid) Materialien enthält, die in einer Grundflüssigkeit suspendiert sind ( BF). Nanofluide sind aufgrund verschiedener Schlüsselfaktoren eine vielversprechende Option für thermische Anwendungen. Zu diesen Faktoren gehört die Fähigkeit, Wärme effizient zu leiten, die Oberfläche zu vergrößern, die spezifische Wärmekapazität zu verbessern, Stabilität zu gewährleisten und die Viskosität zu verringern30. Die Kombination dieser Eigenschaften macht Nanoflüssigkeiten zu einer überzeugenden Wahl für den Einsatz in vielen Branchen. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), eine Art Nanopartikel, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen. CNTs haben eine zylindrische Form und sind in verschiedenen Längen erhältlich, die von einigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern reichen31. Die einzigartigen physikalischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften von CNTs machen sie für den Einsatz in verschiedenen Bereichen geeignet, darunter Medizin, Elektronik und Energiespeicherung. (CNTs) werden in verschiedene Typen eingeteilt, z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs), doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren (DWCNTs) und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs)32. SWCNTs bestehen aus einer einzelnen zylindrischen Struktur aus Kohlenstoffatomen. Im Gegensatz dazu bestehen MWCNTs und DWCNTs aus mehreren ineinander verschachtelten Zylindern aus Kohlenstoffatomen. Die strukturellen und zusammengesetzten Eigenschaften einzelner Arten von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) verleihen ihnen unterschiedliche Eigenschaften, die sie in einem breiten Spektrum von Bereichen nützlich machen33. Salawu et al.34 führten eine Studie durch, um die elastische Verformung einer Mischung aus Magneto-Nanofluiden zu untersuchen, die mit Silbernanopartikeln beschichtete SWCNTs und mit Molybdändisulfid-Nanopartikeln funktionalisierte MWCNTs in einem porösen Zylinder enthielten. Hachicha et al.35 führten eine Studie durch, um die Wirksamkeit der Verwendung einer Art Nanoflüssigkeit aus MWCNT und Wasser zur Verbesserung der Wärmeübertragung in PTSC unter verschiedenen saisonalen Bedingungen zu untersuchen. Ihre Computersimulationen zeigten, dass der Einsatz dieses Nanofluids zu einem deutlichen Anstieg der Nusselt-Zahl um bis zu 21 Prozentpunkte führte, einem Schlüsselparameter zur Messung der Wärmeübertragungsrate. Die jüngste Arbeit von36 untersucht die elektromagnetische Kopplungsspannung von ein- und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs, MWCNTs) auf einer rotierenden Scheibe unter dem Einfluss chemischer Reaktionen. Der Wärmeübertragungsmechanismus in ternären Nanoflüssigkeiten zwischen parallelen Plattenkanälen unter Verwendung eines modifizierten Hamilton-Crossers-Modells und thermischer Strahlungseffekte wurde von37 untersucht. Numerische Untersuchung der thermischen Verbesserung in ZnO-SAE50-Nanoschmierstoff über einer sphärischen magnetisierten Oberfläche, beeinflusst durch Newtonsche Erwärmung und Wärmestrahlung, wurde von38 untersucht. Die Analyse der Wärmeübertragungsleistung für ternäre Nanofluidströmungen in Strahlungskanälen unter verschiedenen physikalischen Parametern mithilfe von GFEM wurde von39 untersucht. Die Prüfung der Wärmeübertragung in [(ZnO-MWCNTs)/Wasser-EG(50:50)]hnf mit Wärmestrahlung und Konvektionsbedingungen über einer Rigaer Oberfläche wurde von40 untersucht. Die thermische Effizienz in Hybrid- (Al2O3–CuO/H2O) und ternären Hybrid-Nanofluiden (Al2O3–CuO–Cu/H2O) wurde unter Berücksichtigung der neuartigen Auswirkungen des angelegten Magnetfelds und der konvektiven Wärmebedingungen untersucht41. Numerische thermische Eigenschaften im gAl2O3-C2H6O2-Nanofluid unter dem Einfluss von Wärmestrahlung und konvektiven Wärmebedingungen durch die Induktion neuartiger Effekte des effektiven Prandtl-Zahlenmodells (EPNM) wurden von42 untersucht.

Ein Hybrid-Nanofluid (HNF) ist eine zusammengesetzte Flüssigkeit, die aus einer Basisflüssigkeit und Nanopartikeln besteht und zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften der Flüssigkeit verwendet wird43. HNF wurde als potenzielles Mittel zur Verbesserung der Wirksamkeit von Solarkollektoren und Solarzellen mit Sonnenstrahlung identifiziert. Solarkollektoren sind Geräte, die Sonnenenergie sammeln, sie in Wärme umwandeln und sie dann an eine Flüssigkeit übertragen, die im Kollektor fließt. Die Hybrid-Nanoflüssigkeiten enthalten winzige Partikel, die die Wärmeübertragungseffizienz der Flüssigkeit durch Erhöhung ihrer Wärmeleitfähigkeit verbessern können. Diese Verbesserung hat das Potenzial, die Gesamtleistung des Solarkollektors zu steigern und Sonnenstrahlung schneller in nutzbare Energie umzuwandeln36. Solarzellen erzeugen viel Wärme, wenn sie Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Um dieses Problem anzugehen, können hybride Nanofluide als Kühlmittel eingesetzt werden. Durch Mischen von Nanoflüssigkeiten lässt sich dies leicht bewerkstelligen.

Der Einsatz von HNF in Solarenergiesystemen kann eine Überhitzung von Photovoltaikzellen verhindern, was deren Effizienz und Lebensdauer verbessert. Durch die Einbindung hybrider Nanoflüssigkeiten in Solarenergiesysteme kann die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht und die Geschwindigkeit erhöht werden, mit der Sonnenstrahlung in nutzbare Energie umgewandelt wird. Obwohl die Verwendung hybrider Nanoflüssigkeiten in Solarenergiesystemen mit Herausforderungen verbunden ist, arbeiten Forscher derzeit daran, diese zu überwinden. Ziel ist es, die Effizienz und Sicherheit dieser Nanoflüssigkeiten zu verbessern. Auch wenn es Hindernisse gibt, haben hybride Nanoflüssigkeiten das Potenzial, Solarenergiesysteme effizienter und umweltfreundlicher zu machen. In dieser Hinsicht betonte die Arbeit von Khan et al.44 die thermischen Leistungen von strahlendem viskosem Kupfer-Aluminiumoxid mit Ethylenglykol/Wasser-HNF über poröse gestreckte Zylinder hinweg. Die mathematische Modellierung des vertikalen porösen MHD-Kupferoxid-Eisenoxid/Blut-HNF-Kanals unter dem Einfluss von Wärmestrahlung wurde von untersucht45. Ihr Ergebnis zeigt, dass die Durchblutung bei Kupferoxid NF größer ist als bei Kupferoxid-Eisenoxid HNF. Die numerische Bewertung eines Sutterby-Hybrid-Nanofluids über einer Streckfolie mit einem Partikelformfaktor wurde von 46 untersucht. Die Entropieerzeugung und thermische Leistung des Williamson-Hybrid-Nanofluidstroms, der in Solarflugzeugen als Hauptkühlmittel in Parabolrinnen-Solarkollektoren verwendet wird, wurde von 47 untersucht. Thermische Solar-HVAC-Untersuchung unter Verwendung einer (Cu-AA7075/C6H9NaO7) MHD-gesteuerten Hybrid-Nanofluid-Rotationsströmung mittels konvergenter Technik zweiter Ordnung: Eine neuartige technische Studie wurde von48 untersucht. Die Galerkin-Finite-Elemente-Lösung für den Einfluss elektromagnetischer Strahlung auf den viskosen Williamson-Zweiphasen-Nanofluidfluss über eine ausziehbare Oberfläche wurde von49 untersucht. Irreversibilitätsanalyse des zeitabhängigen magnetisch angetriebenen Flusses von Sutterby-Hybrid-Nanofluid: Ein thermisches mathematisches Modell wurde von50 untersucht. Dynamik strahlender Williamson-Hybrid-Nanoflüssigkeit mit Entropieerzeugung: Bedeutung in Solarflugzeugen wurde von51 untersucht. Die Dynamik wärmeabsorbierender und strahlender hydromagnetischer Nanoflüssigkeiten durch eine sich ausdehnende Oberfläche mit chemischer Reaktion und viskoser Dissipation wurde von52 untersucht. Ein thermisch verstärkter Hybrid aus Kupfer-Zirkoniumdioxid/Ethylenglykol-Nanoflüssigkeit, der im Solarkollektor der Wasserpumpenanwendung fließt, wurde von53 untersucht. Chemische Reaktion und thermische Eigenschaften des Maxwell-Nanofluid-Durchflusssolarkollektors als potenzielle Solarenergie-Kühlanwendung: Ein modifiziertes Buongiorno-Modell wurde von untersucht54. Die Dynamik eines Hybrid-Nanofluids aus Ethylenglykol-basiertem Graphen und Molybdändisulfid über einer dehnbaren Oberfläche unter Gleitbedingungen wurde von55 untersucht. Numerische und statistische Untersuchungen zur Dynamik des Wassertransports von Cu-Al2O3-Hybrid-Nanofluidströmungen über eine exponentiell dehnbare Folie mit Naviers partiellem Schlupf und thermischen Sprungbedingungen wurden von56 untersucht. Die mechanische Verbesserung von Solarflugzeugen durch den Einsatz tangentialer hyperbolischer einphasiger Nanoflüssigkeiten wurde von 57 untersucht. Die Auswirkung der Arrhenius-Aktivierungsenergie und der temperaturabhängigen Viskosität auf die biokonvektive Strömung von nicht-Newtonschen Nanomaterialien mit teilweisem Schlupf wurde von 58 untersucht. Charakterisierung der thermischen Analyse eines solarbetriebenen Schiffes unter Verwendung von Oldroyd-Hybrid-Nanofluiden in einem Parabolrinnen-Solarkollektor: Eine optimale thermische Anwendung wurde von untersucht59.

Viskosität ist ein grundlegendes Konzept der Strömungsmechanik und bezieht sich auf den Bewegungswiderstand einer Substanz. Dieses Prinzip unterteilt Flüssigkeiten in zwei Kategorien: Newtonsche und nicht-Newtonsche Flüssigkeiten (NNF). Newtonsche Flüssigkeiten haben eine feste Viskosität, die sich nicht mit der auf sie ausgeübten Kraft oder dem Druck ändert. Beispiele für Newtonsche Flüssigkeiten sind Wasser, Luft und verschiedene Öle60, 61. Andererseits weisen nicht-Newtonsche Flüssigkeiten ein anderes Verhalten auf, bei dem sich ihre Viskosität abhängig von den Strömungsbedingungen und der Menge an Druck oder Kraft, die auf sie ausgeübt wird, ändert sie62. Daher variiert die Viskosität nicht-Newtonscher Flüssigkeiten je nach den Strömungsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind. Der NNF ist in einer Vielzahl natürlicher und künstlicher Systeme vorhanden, darunter Nahrungsmittel, Kosmetika, Pharmazeutika sowie geologische und biologische Systeme. Einige häufige Beispiele für NNF sind Ketchup, Zahnpasta und Blut. Eine der wichtigsten Variablen, die die Dicke von NNF beeinflussen kann, ist die Menge an Sonnenstrahlung, der die Substanz ausgesetzt ist. Sonnenstrahlung, insbesondere in Form von ultravioletten (UV-)Strahlen, kann Veränderungen sowohl in der Molekülstruktur als auch in den physikalischen Eigenschaften von NNF63 verursachen. Diese Veränderungen können die Viskosität und Fließfähigkeit des Materials beeinflussen. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass nicht-natürliche Fasern, einschließlich Polymere und Proteine, bei Einwirkung von UV-Strahlung Veränderungen in ihrer Molekülstruktur erfahren können. Die Eigenschaften von NNF, wie z. B. Fließfähigkeit und Elastizität, können durch Lichtenergie beeinflusst werden, die ihre Temperatur verändern kann. Wenn NNF UV-Strahlung ausgesetzt wird, kann es zerfallen und seine Dicke und Wirksamkeit verringern. In geologischen Systemen kann Sonnenlicht NNF erwärmen, wodurch es weniger viskos und leichter zu bewegen ist64. Die Maxwell-Flüssigkeit ist eine besondere Art von NNF, die unter Belastung sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften aufweist, was sie unter anderen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten einzigartig macht65. Maxwell-Flüssigkeiten werden häufig bei der Modellierung viskoelastischer Materialien wie Polymerlösungen, Gelees und kolloidaler Suspensionen verwendet. Das Verhalten dieser Flüssigkeiten wurde vom schottischen Wissenschaftler James Clerk Maxwell66 charakterisiert. Die Wirksamkeit eines Hybrid-Nanopartikels aus einer viskoelastischen Maxwell-Kühlflüssigkeit und Kohlenstoffnanoröhren in PTCS wurde von67 untersucht. Die thermischen Eigenschaften eines zweidimensionalen Flusses von Maxwell-Nanofluid über eine durchlässige Streckfolie wurden von den Forschern68, 69 mithilfe der Finite-Elemente-Methode analysiert. Ziel dieser Studie war es, das Verständnis des Verhaltens dieser Substanzen und ihrer möglichen Anwendungen zu verbessern.

Der Cattaneo-Christov-Wärmefluss ist eine modifizierte Form des Fourierschen Wärmeleitungsgesetzes, das die Tatsache berücksichtigt, dass Materialien einige Zeit brauchen, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Im Jahr 1948 entwickelte Cattaneo eine modifizierte Gleichung für die Wärmeübertragung, die eine Relaxationsperiode berücksichtigte70. Im Jahr 1977 verbesserte Christov diese Gleichung weiter, indem er eine zusätzliche Komponente einführte, die die Auswirkungen der Viskosität berücksichtigte. Die Nutzung des Cattaneo-Christov-Wärmeflusses bei der Untersuchung der Solarenergie ist eine neuere Entwicklung, die in den 1990er Jahren begann. Seitdem hat die Integration dieses Wärmeflusses in Sonnenmodelle zu erheblichen Fortschritten beim Verständnis der inneren Struktur und Dynamik der Sonne geführt. Auf dem Gebiet der Sonnenphysik hat der Cattaneo-Christov-Wärmefluss eine entscheidende Rolle bei der Lösung langjähriger Probleme gespielt. Durch die Einbeziehung dieser Erkenntnisse in Sonnenmodelle konnten Wissenschaftler eine Verbesserung der Genauigkeit ihrer empirischen Beobachtungen beobachten. Dies hat zu einem besseren Verständnis der inneren Struktur und der dynamischen Eigenschaften der Sonne geführt, was zu einer höheren Präzision bei der Sonnenmodellierung führte71. Die in Referenz 72, 73 erwähnten Studien liefern weitere Informationen zum Cattaneo-Christov-Wärmefluss.

Die Nutzung von Solarenergie ist für Entwicklungsländer und umweltfreundliche Energiequellen wichtig. Solarbetriebene Schiffe und Boote bieten zahlreiche Vorteile wie Erschwinglichkeit, Lärmreduzierung, kontinuierliches Laden und die Möglichkeit, persönliche Geräte aufzuladen. Darüber hinaus haben sie minimale Auswirkungen auf die Umwelt und sind äußerst zuverlässig. In verschiedenen Studien durchgeführte Untersuchungen haben die Bedeutung einer gründlichen Analyse nicht-Newtonscher und thermischer Faktoren in solarthermischen Systemen hervorgehoben. Darüber hinaus ist der Einbau hybrider Nanofluide in PTSCs von entscheidender Bedeutung, um die Betriebseffizienz des Systems zu verbessern. Die Originalität der vorliegenden Forschung liegt in der Untersuchung der Strömungseigenschaften eines viskosen Maxwell-Hybrid-Nanofluids über einer horizontalen Oberfläche, die einem unendlichen Wärmefluss ausgesetzt ist, und verwendet dabei das Cattaneo-Christov-Modell zur Analyse. Das Hauptziel besteht darin, die thermische Effizienz von PTSCs zu verbessern. Um dies zu erreichen, werden zwei Arten von Maxwell-Nanoflüssigkeiten verwendet: einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen – Maxwell-Nanoflüssigkeiten und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen/Motoröl (MWCNT-SWCNT/EO). Die Besonderheit dieser Studie liegt darin, dass sie sich auf solarbetriebene Schiffe und Boote konzentriert und den Einfluss dimensionsloser Zahlen auf die Entropieproduktion untersucht. Durch die Durchführung einer umfassenden Analyse nicht-Newtonscher und thermischer Faktoren in solarthermischen Systemen und die Untersuchung der spezifischen Anwendung hybrider Nanoflüssigkeiten in PTSCs trägt diese Forschung zum Verständnis und zur Weiterentwicklung der Betriebseffizienz von PTSCs im Kontext des solarbetriebenen Seetransports bei . Abbildung 2 zeigt eine grafische Darstellung des PTSC.

Geometrisches Diagramm der Strömung.

Das Hauptziel der Erstellung von Abb. 2 besteht darin, den sequentiellen Prozess der Entwicklung des aktuellen theoretischen Modells zu demonstrieren. Das Diagramm zeigt, wie Sonnenenergie den PTSC erreicht und sich begleitet von Wärmestrahlung durch eine Flüssigkeit bewegt, was zu einer maximalen Energiespeicherung im PTSC durch Wärmeleitfähigkeit führt. Die gespeicherte Energie liegt in Form von Wärme vor, die dann durch Photovoltaikzellen in einer Batterie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie wird innerhalb des solarbetriebenen Schiffes für verschiedene Zwecke genutzt.

Die zylindrische Oberfläche des PTSC empfängt Sonnenenergie von der Sonne, die dann in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Vorhandensein von Nanopartikeln in der Flüssigkeit, die durch den PTSC fließt, verstärkt diese Wärmeenergie. Das zentrale Ziel des aktuellen theoretischen Experiments besteht darin, die Wärmespeicherkapazität des PTSC durch die Einbeziehung physikalischer Phänomene wie Wärmestrahlung und Leitfähigkeit zu erhöhen.

Die Oberfläche von PTSC erhält eine große Menge Sonnenenergie in Form von Wärme, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um Navigations- und Beleuchtungssysteme anzutreiben. Dies wird mithilfe einer Solarzellenbatterie erreicht, die sich in der Treibstoffbox des Raumfahrzeugs befindet und die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln kann. Tagsüber speichert die Batterie die erzeugte Energie, die dann nachts zum Antrieb der Raumsonde genutzt wird.

Die in einer Batterie gespeicherte Energie ist ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung ihrer Fähigkeit, verschiedene Funktionen wie Avionik, Navigationslampen und militärische Kommunikation mit Strom zu versorgen. Die Energiespeicherkapazität der Batterie wirkt sich direkt auf ihre Fähigkeit aus, diese Funktionen effektiv auszuführen. Daher ist es wichtig, bei der Auswahl einer Batterie für bestimmte Anwendungen die Energiespeicherkapazität der Batterie zu berücksichtigen.

Das mathematische Modell, das den Flüssigkeitsfluss in diesem System beschreibt, zeigt die ungleichmäßige Streckungsgeschwindigkeit auf einer festen Oberfläche, beispielsweise einer flachen Platte, die sich horizontal durch eine Flüssigkeit bewegt. Eine Gleichung, die dies darstellt, ist \({U}_{w}\)(x, 0) = \(bx\), wobei der Parameter \(b\) das anfängliche Expansionsverhältnis bezeichnet. Die Temperatur einer isolierten Oberfläche wird durch \({\Theta }_{w}\)(\(x\), t) = \({\Theta }_{\infty }+{b}^{*} x\) und es wird angenommen, dass sie bei \(x\) = 0 konstant bleibt. Die thermische Änderungsrate wird als \({b}^{*}x\) bezeichnet, während \({\Theta }_{w} \) bezieht sich auf die Temperatur der Wand und \({\Theta }_{\infty }\) repräsentiert die Umgebungstemperatur. Die Platte hat eine rutschige Oberfläche, die einer Temperaturänderung ausgesetzt ist. Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung des Flusses.

Wirkung von \(M\) auf \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), \(\theta \left(\xi \right)\).

Die mathematische Formulierung wurde auf der Grundlage der unten dargestellten Annahmen entwickelt:

Nicht-Newtonsches Maxwell-Nanofluid, Cattaneo-Christov-Wärmefluss.

Mehrwandige und einwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT und SWCNT).

Strömung hat zähflüssige Dissipationseigenschaften, ein poröses Medium und Wärmeerzeugung.

Rutschige Randbedingungen, Entropieerzeugung, stationäre Strömungsbedingungen.

Sonnenwärmestrahlung, Magnetfeld.

Grenzschichtnäherungen, Motoröl (EG) als BF.

Unter Berücksichtigung der zuvor dargelegten Annahmen können die Gleichungen, die das nicht-Newtonsche Maxwell-Modell mit Strahlungswärmefluss regeln, wie folgt ausgedrückt werden12:

mit Randbedingungen74:

Tabelle 1 enthält Informationen zu den thermophysikalischen Eigenschaften des Nanofluids sowie zu den in der aktuellen Forschung verwendeten Symbolen. Wenn eine Oberfläche durch Konvektion erwärmt wird, ist es wichtig, die Wärmemenge zu berücksichtigen, die durch Leitung verloren geht, was auch als Newtonsche Erwärmung bezeichnet wird. Es ist auch wichtig, das Verhalten der Flüssigkeit nahe der Oberfläche zu verstehen, das durch den Schlupfzustand beeinflusst werden kann. Dies bezieht sich auf das Verhalten von Flüssigkeiten, wenn sie mit festen Grenzen in Kontakt kommen, und kann die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der sich die Flüssigkeit in der Nähe der Oberfläche bewegt. Das Ausmaß des Schlupfes steht in direktem Zusammenhang mit der Scherspannung, die das Fluid an der Grenze erfährt75, 76. Dieses Verständnis ist entscheidend für die genaue Analyse der Wärmeübertragung durch Konvektion.

HNF besteht aus einer Basisflüssigkeit und Zwei-Element-Nanopartikeln. Sie werden verwendet, um die Wärmeübertragungsfähigkeit normaler Flüssigkeiten zu verbessern und besitzen im Vergleich zu NF einen größeren Wärmeexponenten. Die physikalischen Variablen der Maxwell HNF-Thermodynamik sind unten aufgeführt.

NF:

HNF:

Tabelle 1 zeigt die thermophysikalischen Faktoren von SWCNT, MWCNT-Nanopartikeln und Motoröl-Basisflüssigkeit. Kürzlich wurde untersucht, wie Nanomaterialien die Leistung von Wärmetauschern verbessern könnten79. Unter den verschiedenen Arten von Nanomaterialien haben Wissenschaftler SWCNT und MWCNT als vielversprechend für die Verbesserung der Wärmeübertragungseffizienz in Wärmetauschern identifiziert. Durch die Zugabe dieser Nanomaterialien zur Grundflüssigkeit des Motoröls könnten die Wärmeübertragungsrate und die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit erheblich verbessert werden, was zu einer höheren Effizienz des Wärmetauschers führt. Diese Methode könnte möglicherweise zur Schaffung effizienterer, leichterer und kompakterer Wärmetauscher führen, was für verschiedene technische Anwendungen, die den Einsatz von Motoröl erfordern, einschließlich solarbetriebener Schiffe, von Vorteil wäre.

Die RA ist ein mathematisches Werkzeug, mit dem die Art und Weise vorhergesagt werden kann, wie Energie von einer Oberfläche auf die sie umgebende Flüssigkeit übertragen wird. Die Rosseland-Näherungsmethode gilt als geeignet für Fälle, in denen geringe Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit bestehen. Dies impliziert, dass die Rosseland-Näherung die Energiemenge, die zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit ausgetauscht wird, genau vorhersagen kann, wenn der Temperaturunterschied unbedeutend ist. Präzise Vorhersagen der Energieübertragung sind in verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen wie der Wettervorhersage, der Weltraumwissenschaft und der Materialforschung von großer Bedeutung80. Daher ist es wichtig, seine Bedeutung zu verstehen. Darüber hinaus ist die Energieformel stark nichtlinear und rechnerisch schwer mit der Temperatur (\(\Theta\)) zu erklären. Wenn jedoch die Temperaturunterschiede innerhalb des Stroms minimal sind, kann eine deutliche Vereinfachung erreicht werden. Dies bedeutet, dass der Berechnungsprozess vereinfacht werden kann, wenn innerhalb des Baches nur geringe thermische Schwankungen auftreten. Unter bestimmten Umständen kann die Rosseland-Approximationsformel vereinfacht werden, indem die Variable \({\Theta }_{\infty }\) durch \({\Theta }^{3}\) ersetzt wird, um eine lineare Gleichung für die Temperatur \( ({{\Theta }_{\infty })}^{3}\). Um die Auswirkungen der Strahlung zu berücksichtigen, wird in Formel (3) die von Rosseland bereitgestellte Formel verwendet, die durch den folgenden Ausdruck81 dargestellt wird:

Der Absorptionskoeffizient, der durch k* dargestellt wird, und die Stefan-Boltzmann-Konstante, symbolisiert durch σ*.

Die zur Lösung von Randwertproblemen (BVP) verwendeten Gleichungen, bekannt als Gl. (1)–(3) werden durch Ähnlichkeitsumwandlungen in einfachere, nichtdimensionale Formen umgewandelt. Diese Konvertierungstechnik wandelt die PDEs in ODEs um. Dies führt zum Ausdruck der Streaming-Funktion und der Ähnlichkeitsgrößen der Form:

Durch Ersetzen von Gl. (6) in das System der Gleichungen. (1)–(3) ergibt sich folgendes Ergebnis:

Mit

Wo

Die Formel (1) ist identisch erfüllt. Die Notation ' bezeichnet die Differenzierung zu (\(\xi\)), wie in den obigen Gleichungen gezeigt. Die thermophysikalischen Eigenschaften des Nanofluids sind zusammen mit den in der Studie verwendeten Symbolen in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.

Einige Bereiche der Technik stützen sich auf zwei wichtige Parameter: Widerstandskraft (\({C}_{f})\) und Nusselt-Zahl (\({\mathrm{Nu}}_{x}).\) Die Widerstandskraft misst wie viel Widerstand ein fester Gegenstand erfährt, während er sich durch eine Flüssigkeit bewegt, was in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt und Strömungsmechanik von entscheidender Bedeutung ist82, 83. Unterdessen sagt die Nusselt-Zahl voraus, wie schnell Wärme zwischen einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche übertragen wird, was in der Luft- und Raumfahrttechnik von entscheidender Bedeutung ist Auslegung von Wärmetauschern. Beide Parameter sind einheitenlos und werden zur Verbesserung der Effizienz von Konstruktionsentwürfen verwendet. Das \({C}_{f}\) zusammen mit \({\mathrm{Nu}}_{x}\) kann wie folgt angegeben werden84:

Durch die Anwendung dimensionsloser Umrechnungen auf die zuvor erwähnte Gleichung erhalten wir:

Hier ist \({\mathrm{Re}}_{x}\)=\(\frac{{U}_{w}x}{{v}_{f}}\).

Auf dem Gebiet der Thermodynamik beschreibt das Prinzip der Entropieerzeugung die allmähliche Verringerung der Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten, wenn Energie weniger zur Verfügung steht85. Dieses Prinzip ist besonders wichtig für die Sonnenstrahlung, da es eine Möglichkeit bietet, die Ineffizienzen zu messen, die bei der Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energieformen entstehen. Energieverluste treten aufgrund der mangelnden Effizienz der Solarmodule und anderer Komponenten auf, die zur Energieumwandlung eingesetzt werden. Um die Effizienz der Solarenergieumwandlung zu maximieren, ist es wichtig, den Energieverlust in Form von Entropie zu minimieren. Dies kann durch fortschrittliche Materialien und Designtechniken erreicht werden, die Energieverluste reduzieren und die Menge der nutzbaren Energie aus Sonnenstrahlung erhöhen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bietet eine Möglichkeit, das Ausmaß der Irreversibilität oder Entropieerzeugung anzunähern, die während des Prozesses des Nanofluidflusses auftritt. Dies kann mathematisch ausgedrückt werden als35:

wobei Re = \(\frac{{u}_{w}{b}^{2}}{x{\upsilon }_{f}}\), \(\beta =\frac{{\mathrm{T }}_{w}-{\mathrm{T}}_{\infty }}{{\mathrm{T}}_{\infty }}\) und,\({B}_{N}=\frac {{\mu }_{f}{u}_{w}^{2}}{{k}_{f}\left({\mathrm{T}}_{w}-{\mathrm{T} }_{\infty }\right)}\)

Diese Lösungsvorschläge für die Funktionen \(f\left(\xi \right)\), \(und \theta \left(\xi \right)\) lauten76:

Hier ist \({A}_{j}\left(\frac{2\xi }{L}-1\right)\) eine verschobene Legendre-Basisfunktion, die im Intervall [1;1] bis [ definiert ist 0; L]. Um die Werte der Konstanten \({a}_{j}\) und \({b}_{j}\) zu ermitteln, müssen wir Formel (13) verwenden und sie in die BCs einsetzen.

Durch Einfügen von Formel (13) in Formel (7–8) erhielten wir drei Residuen: \({R}_{f}\left(\xi \right)\) und \({R}_{f}\ left(\xi \right)\), Die Kollokationsmethode wird verwendet und ihre Beschreibung lautet wie folgt:

mit

Die verschobenen Gauß-Lobatto-Punkte werden als \({\xi }_{j}\) bezeichnet. Das System der algebraischen Gleichungen. (7–8) enthält 2N + 2 Gleichungen und mit unbekannten Koeffizienten \({a}_{j}\) und \({b}_{j}\). Diese Koeffizienten wurden mit der MATHEMATICA-Software berechnet. Tabelle 3 zeigt die verschiedenen Grade der Approximationskonvergenz. Dennoch führt LBCS zu einer schnellen Konvergenz von Näherungslösungen. Die Gültigkeit der in der aktuellen Studie verwendeten numerischen Lösung wird durch den Vergleich der Ergebnisse mit denen einer früheren Studie nachgewiesen. Tabelle 4 stellt diesen Vergleich dar und zeigt, dass eine starke Korrelation zwischen den numerischen Ergebnissen beider Studien besteht.

In diesem Abschnitt der Studie werden Diagramme angezeigt, die Änderungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit \(({\mathrm{f}}^{\prime}({\upxi })),\;{\text{and}}\;{\text veranschaulichen {thermisch}}\;{\text{Profil}}\;({{\theta (\xi )}})\;{\text{Entropie}}\;{\text{Produktion}}\;{\text {(Ng)}}\) für MWCNT-SWCNT/EO-Hybrid-Nanofluid (HNF) und MWCNT-SWCNT-Nanofluid (NF). Die Abbildungen 3a, 4a, 5a, 8a, 9a zeigen Variationen in \(\mathrm{f}{{^{\prime}}}(\upxi )\), während die Abbildungen. 3b, 4b, 5b, 6a,b, 7a,b, 8b, 9b zeigen Änderungen in \(\uptheta (\upxi)\). Zusätzlich, Abb. 4c, 10a,b zeigt Variationen in \((\mathrm{Ng})\). Darüber hinaus präsentiert die Studie die numerischen Ergebnisse der Nusselt-Zahl. Die Ergebnisse sind in der Formulartabelle (Tabelle 5) dargestellt.

Wirkung von \({\Lambda }_{M}\) auf \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), \(\theta \left(\xi \right )\) und \({N}_{G}\).

Wirkung von \(\varphi {,\varphi }_{h}\) auf \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\) und \(\theta \left( \xi \right)\).

Wirkung der Wirkung von \({R}_{M}\) auf \(\theta \left(\xi \right)\) und Ng.

Impact Ec und \({Q}_{M}\) auf \(\theta \left(\xi \right)\).

Auswirkungen \({\varpi }_{M}\) und \({\delta }_{N}\) \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), und \(\theta \left(\xi \right)\).

Wirkung von \({K}_{M}\) auf \(f{^{\prime}}(\xi ) und \theta (\xi )\).

Einfluss von \({B}_{M},\) und Re auf Ng.

Das Verständnis der Nusselt-Zahl ist entscheidend, um die Wärmeübertragungsrate vollständig zu verstehen. Dies ist einer der Schlüsselfaktoren, die eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Ergebnisse des Wärmeübertragungsprozesses spielen. Die Nusselt-Zahlen in Tabelle 5 dienen als Beweis dafür, dass die Verwendung von MWCNT-SWCNT/EO-Hybrid-Nanofluid (HNF)-Kombinationen zu einer höheren Wärmeübertragungsrate im Vergleich zum MWCNT-SWCNT-Nanofluid (NF) führt. Dies bestätigt die Erwartung, dass die HNF-Kombinationen zu einer höheren Wärmeübertragungsrate führen würden. Tabelle 5 zeigt eine Aufschlüsselung der Prozentsätze, aus der hervorgeht, dass eine Erhöhung des Ec-Werts zu einem spürbaren Anstieg führte. Der kleinste beobachtete Prozentsatz betrug 1,96 %, während der größte 2,13 % betrug. Die Tabelle zeigt einen Anstieg von \({R}_{M}\). Der prozentuale Unterschied zwischen dem kleinsten Punkt und dem größten Punkt beträgt 1,99 % bzw. 2,25 %. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass die minimalen und maximalen Werte für die relative HNF und NF zwischen 2,02 und 2,07 % liegen, wenn der Wert von \({\delta }_{M}\) steigt. Mit zunehmendem Wert von \(\mathrm{M}\) liegt der beobachtete Wertebereich zwischen 2,02 und 2,07 %, wobei 2,2 % der Minimalwert und 2,7 % der Maximalwert sind. Die Wärmeübertragungsrate von HNF und NF steigt mit zunehmendem Wert von \({B}_{i}\) um mindestens 2,2–2,6 %. Das bedeutet, dass alle physikalischen Parameter positiv zur Wärmeübertragungsgeschwindigkeit beitragen.

Die Auswirkung von M auf das Geschwindigkeitsprofil ist in Abb. 10 zu sehen. Mit zunehmender Stärke des Magnetfelds übt es eine größere Kraft auf die in der Flüssigkeit vorhandenen geladenen Teilchen aus, was zu einem Anstieg des Widerstands führt. Dieser Widerstandsanstieg führt folglich zu einer weiteren Verringerung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Grenzschichtströmung bezieht sich auf die dünne Flüssigkeitsschicht neben einer Oberfläche, die Instabilität erfahren und von einer gleichmäßigen und geordneten Strömung zu einer ungeordneten und turbulenten Strömung wechseln kann. Eine solche Verschiebung kann zu einer Erhöhung der Widerstandskraft führen, der Objekte ausgesetzt sind, die sich durch die Flüssigkeit bewegen, was letztendlich zu einer verringerten Effizienz führt. Basierend auf dem Vorhandensein von Hybrid-Nanopartikeln in der Basisflüssigkeit scheint die Hybrid-Nanoflüssigkeit im Vergleich zur regulären Nanoflüssigkeit an derselben Stelle einen gewissen Rückgang zu zeigen. Durch die reguläre NF wird es für das Magnetfeld schwieriger, die Flüssigkeit zu beeinflussen, was diese leichte Leistungsverbesserung erklären könnte. Abbildung 3b veranschaulicht das Phänomen, bei dem die Temperatur des Systems aufgrund der verringerten Wärmeübertragung auf andere Bereiche aufgrund der langsameren Bewegung des Flüssigkeitsstroms ansteigt. Wenn der Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten positiv ist, bedeutet dies, dass Wärme von der Oberfläche zur Flüssigkeit gelangt. Das bedeutet, dass die Oberfläche Wärmeenergie abgibt, während die Flüssigkeit diese aufnimmt. Das Verständnis dieses Mechanismus ist für zahlreiche technische Anwendungen, einschließlich Kühlsystemen für Elektronik oder Motoren, von entscheidender Bedeutung und kann dazu beitragen, die Wirksamkeit der Systeme zu verbessern.

Die Deborah-Zahl ist ein mathematisches Konzept, das definiert, wie sich Elastizität und Viskosität einer Flüssigkeit zueinander verhalten. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung, wie eine Flüssigkeit auf verschiedene Arten von Druck und Kraft reagiert. Aus Abb. 4a wurde beobachtet, dass das Geschwindigkeitsprofil einer Flüssigkeit um \({\Lambda }_{M}\) reduziert wird. Wenn hingegen die Deborah-Zahl niedrig ist, wird die Flüssigkeit elastischer und ihr Geschwindigkeitsprofil wird parabolisch. Dies liegt daran, dass elastische Kräfte dominanter sind als viskose Kräfte, wodurch sich die Flüssigkeit wie ein Feststoff verhält. Während die niedrigste Geschwindigkeit in der Nähe der Wände auftritt, entsteht eine gekrümmte parabolische Form. Mit zunehmendem \({\Lambda }_{M}\) ändert sich die Fließfähigkeit der Flüssigkeit. Je höher \({\Lambda }_{M}\) ansteigt, desto viskoser wird die Flüssigkeit und desto weniger elastisch wird sie. Außerdem verhält sich die Flüssigkeit eher wie eine normale Flüssigkeit, wobei viskose Kräfte gegenüber elastischen Kräften dominieren. Wie in Abb. 4a zu sehen ist, weist der Geschwindigkeitsfluss des Maxwell-Hybrid-Nanofluids ein abnehmendes Muster auf. Abbildung 4b veranschaulicht den Einfluss von \({\Lambda }_{M}\) auf das Temperaturprofil. Bei niedrigen Deborah-Zahlen zeigt die Flüssigkeit ein Newtonsches Verhalten, bei dem der Einfluss viskoser Kräfte gegenüber elastischen Kräften dominiert. Wenn \({\Lambda }_{M}\) ansteigt, wirken sich die elastischen Kräfte stärker aus als die viskosen Kräfte, was zur Entstehung von Temperaturschwankungen in der Flüssigkeit führt. Dieses Phänomen entsteht, weil die elastischen Kräfte Verformungs- und Entspannungsmuster in der Flüssigkeit hervorrufen. Im Vergleich zum Hybrid-Nanofluid erfährt es eine stärkere Verbesserung der Temperaturverteilung. Aus Abb. 4c: Mit steigender Deborah-Zahl nimmt auch die Entropieerzeugung zu. Dieses Phänomen lässt sich auf die Tatsache zurückführen, dass höhere Deborah-Zahlen mit größeren Schergeschwindigkeiten und längeren Relaxationszeiten verbunden sind, was zu einem größeren irreversiblen Energieverlust führt.

Das Verhalten von Flüssigkeiten, beispielsweise wie sie fließen und Wärme verteilen, wird erheblich durch das Vorhandensein von Nanopartikeln in der Flüssigkeit beeinflusst (siehe Abb. 5a, b). Die durch diese Nanopartikel erzeugte Reibung spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Darüber hinaus ist die Größe der Nanopartikel ein wichtiger Faktor, der fünf spezifische Größen hat, die beispielsweise durch \({\phi }_{a}\)=\({\left(1-{(\phi }_{ 1}{+\phi }_{2})\right)}^{2.5} , {\phi }_{b}\)=\(\left(1-{(\phi }_{1}{+ \phi }_{2})\right)+{\phi }_{1}{\rho }_{{s}_{1}}/{{\rho }_{f}+\phi }_{ 2}{\rho }_{{s}_{2}}/{\rho }_{f}\),\({\phi }_{c}=\left(1-{(\phi }_ {1}{+\phi }_{2})\right)+{\phi }_{1}{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{\mathrm{s}1 }/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}\)+\({\phi }_{2}{\left(\rho {C}_{p}\ rechts)}_{s2}/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}, {\phi }_{d}\)=\(\left(\frac{( {k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}-{2\phi }_{2}\left({k}_{nf}-{k}_{\mathrm{ s}2}\right)}{({k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}+{\phi }_{2}\left({k}_{nf} -{k}_{\mathrm{s}2}\right)}\right)\times \left(\frac{{k}_{\mathrm{s}1}+2{k}_{f}- 2{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}{({k}_{\mathrm{s}1} +2{k}_{f}+{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}\right)\) , basierend auf dem Tiwari-Das-Nanomodell. Das Verhalten der Strömung an der Grenzschicht (BL) in Gegenwart von Sonnenstrahlung kann jedoch durch die Anwesenheit von Nanopartikeln in einer Flüssigkeit verändert werden. Der BL einer Flüssigkeit, die in direktem Kontakt mit einer Oberfläche, beispielsweise einem Solarpanel, steht, wird als Grenzschicht bezeichnet und wird durch die Wärmeübertragung der Sonnenstrahlung beeinflusst. Eine Änderung des Nanopartikelanteils in der Flüssigkeit kann zu einer Änderung des Geschwindigkeitsprofils der Grenzschichtströmung führen. Wenn der Bruchteilsvolumenparameter der Nanopartikel zunimmt, wird der Flüssigkeitsstrom in der Nähe der Oberfläche des Solarmoduls gleichmäßiger und weniger turbulent. Dies führt zu einer Verringerung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit an der Oberfläche des Solarmoduls. Daher führt eine Erhöhung der Nanopartikelkonzentration zu einer Verringerung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit (siehe Abb. 5a). Die Bewegung von Flüssigkeiten und Partikeln in einem System wird stark von zwei wichtigen Faktoren beeinflusst. Der erste Faktor ist der Nanopartikel-Fraktionsvolumenparameter, der einen erheblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten von Fluid-Partikel-Systemen hat. Der zweite Faktor ist das Temperaturprofil des Systems, das die Temperaturverteilung zwischen der Flüssigkeit und den Partikeln beschreibt. Diese beiden Faktoren sind entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Fluid-Partikel-Systemen. Die Konzentration von Nanopartikeln in Fluid-Partikel-Systemen hat einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturverteilung. Mit zunehmender Nanopartikelkonzentration wird die Temperaturverteilung aufgrund der Unterschiede in den thermischen Eigenschaften der Flüssigkeit und der Partikel vielfältiger. Eine höhere Nanopartikelkonzentration führt zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung, da die Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit und den Partikeln effektiver ist. Dies legt nahe, dass die Nanopartikelkonzentration ein wichtiger Faktor bei der Steuerung der Temperaturverteilung in Fluid-Partikel-Systemen ist (siehe Abb. 5b).

Der Parameter des Strahlungswärmeflusses ist entscheidend für die Bestimmung, wie sich die Sonnenstrahlung auf die Temperaturverteilung eines Systems auswirkt. Dieser Strahlungswärmeflussparameter ist für die Übertragung von Wärmeenergie durch Strahlung verantwortlich und bestimmt, wie viel Energie eine Oberfläche absorbiert oder reflektiert. Sein Wert ist von Bedeutung, da er sich direkt auf das Temperaturprofil des Systems auswirkt. Der Einfluss von \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) auf die Wärmeverteilung ist in Abb. 6a dargestellt. Wie in Abb. 6a zu sehen ist, weist die thermische Verteilung des Strahlungswärmeflusses von Hybrid-Nanofluiden ein zunehmendes Muster auf. Da jedoch mehr Sonnenstrahlung von der Oberfläche absorbiert wird, führt dies aufgrund der zusätzlich aufgenommenen Energie zu einem Anstieg ihrer Temperatur. Der physikalische Grund hierfür liegt darin, dass die Energie der Sonne, die auch als Sonnenstrahlung bezeichnet wird, durch Energiebereitstellung die Oberflächentemperatur erhöht. Außerdem kann dieser Temperaturanstieg durch die Verbesserung des Parameters des Strahlungswärmeflusses noch verstärkt werden, sodass die Oberfläche mehr Sonnenenergie absorbieren kann. Hauptverantwortlich für diesen Effekt ist der zusätzliche Energieeintrag der Sonne, der zu einem Temperaturanstieg führt. Die Auswirkungen dieses Phänomens sind in verschiedenen Bereichen bemerkenswert, beispielsweise in der Solarenergie, im Ingenieurwesen und in den Materialwissenschaften. Der Einfluss von \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) auf die Entropieerzeugung ist in Abb. 6b dargestellt. Der Parameter des Strahlungswärmeflusses hat einen erheblichen Einfluss auf die Entropieerzeugung, insbesondere in Systemen, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Dies bedeutet jedoch, dass das Verständnis der Auswirkungen des Strahlungswärmeflussparameters für die genaue Modellierung und Vorhersage der Entropieerzeugung in diesen Systemen von entscheidender Bedeutung ist. Die Entropieerzeugungsrate kann verwendet werden, um den Grad der Irreversibilität in jedem Prozess zu messen. Wenn \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit zu, mit der Entropie erzeugt wird. Physikalisch gesehen geschieht dies, weil der erhöhte Strahlungswärmefluss einen größeren Temperaturunterschied zwischen dem System und seiner Umgebung verursacht, was zu mehr Wärmeübertragung und mehr Entropieerzeugung führt. Um ökologisch nachhaltige und effiziente Energietechnologien zu entwickeln, ist es notwendig, die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen und die Minimierung der Entropieerzeugung zu verstehen. Dies kann zur Entwicklung neuer Technologien führen.

Die Eckert-Zahl (Ec) gibt Aufschluss über das Verhältnis von kinetischer Energie zu thermischer Energie in einer Flüssigkeitsströmung. Insbesondere gibt es das Verhältnis zwischen der Dichte der kinetischen Energie und der Dichte der thermischen Energie an, was dabei hilft, das Gleichgewicht zwischen diesen beiden in der Strömung vorhandenen Energiearten zu verstehen. Um den Einfluss der Eckert-Zahl auf die Temperatur einer Flüssigkeit zu verstehen, ist es wichtig, das Gleichgewicht zwischen der in der Strömung vorhandenen kinetischen und thermischen Energie zu analysieren. Der Einfluss von Ec auf die Wärmeverteilung ist in Abb. 7a dargestellt. Eine hohe Eckert-Zahl weist auf ein Überwiegen der kinetischen Energie gegenüber der thermischen Energie hin, was dazu führt, dass die Strömung durch die kinetische Energie gesteuert wird. Wenn die Eckert-Zahl niedrig ist, bedeutet dies, dass die thermische Energie in der Flüssigkeit viel größer ist als ihre kinetische Energie. Dies bedeutet, dass die Strömung der Flüssigkeit hauptsächlich durch ihre Wärmeenergie beeinflusst wird. Dadurch kommt es im gesamten Durchfluss zu spürbaren Temperaturunterschieden, die zu Schwankungen im Temperaturprofil führen können. Der Grund für dieses Verhalten lässt sich verstehen, indem man untersucht, wie Sonnenstrahlung die Flüssigkeit erwärmt. Wenn Sonnenstrahlung absorbiert wird, erwärmt sie die Flüssigkeit und bewirkt, dass sie sich ausdehnt, was dazu führt, dass die Flüssigkeit mehr Energie in Bewegung hat. Diese Energie wird dann abgeführt, wenn sich die Flüssigkeit aufgrund der viskosen Kräfte durch die Strömung bewegt, und schließlich in Wärmeenergie umgewandelt. Die Eckert-Zahl spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung, wie schnell diese Umwandlung stattfindet, indem sie das Gleichgewicht zwischen der Bewegungsenergie und der Wärmeenergie in der Strömung steuert. Die Abb. 7b zeigt, dass mit zunehmendem \({Q}_{M}\) dieser schneller erzeugt wird, als er abgeführt werden kann, wodurch die Flüssigkeit heißer wird. Dies wiederum führt zu größeren Temperaturunterschieden innerhalb der Flüssigkeitsströmung. Dieses Phänomen wird durch die Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit der Flüssigkeit verursacht. Die Flüssigkeit absorbiert Sonnenstrahlung, wodurch sich ihre Temperatur erhöht und Wärmeenergie erzeugt. Wie in Abb. 7b zu sehen ist, weist die thermische Verteilung des Strahlungswärmeflusses von Hybrid-Nanofluiden ein zunehmendes Muster des regulären Nanofluids auf. Wenn die Wärmeerzeugungsrate physikalisch zu hoch ist, kann sich die Wärmeenergie schneller ansammeln, als sie von der Flüssigkeit abgegeben werden kann, wodurch diese heißer wird. Dies führt zu größeren Temperaturunterschieden innerhalb des Flüssigkeitsstroms.

Der Einfluss der Schlupfgeschwindigkeit \(\left({\varpi }_{M}\right)\) erhöht das Geschwindigkeitsprofil (siehe Abb. 8a). Es wurde gezeigt, dass die Temperatur der Geschwindigkeitsflüssigkeit für Hybrid-Nanoflüssigkeiten höher ist als für Nanoflüssigkeiten. Der Geschwindigkeitsschlupf ist ein Begriff, der den Geschwindigkeitsunterschied zwischen der festen Oberfläche und der Flüssigkeit in Nanoflüssigkeiten beschreibt, der durch das Vorhandensein von Nanopartikeln in der Flüssigkeit verursacht wird. Dieses Phänomen hat erhebliche Auswirkungen auf das Verhalten und die Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten und sollte daher bei der Behandlung der Anwendungen dieser Flüssigkeiten berücksichtigt werden. Das Geschwindigkeitsprofil in Nanoflüssigkeiten wird durch \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\ beeinflusst, das von den einzigartigen Eigenschaften der Nanopartikel (CNTs) und der Grundflüssigkeit (Motoröl) abhängt. Da MWCNT-SWCNT dem Motoröl zugesetzt wird, führt der Schlupfparameter zu einer Verringerung der Geschwindigkeit in der Nähe fester Oberflächen. Physikalisch lässt sich das Vorkommen dadurch erklären, dass CNTs eine hydrophobe Oberfläche haben, die dort, wo die feste und flüssige Phase aufeinandertreffen, einen rutschigen Effekt hervorruft. Mit zunehmendem Schlupfparameter wird die Flüssigkeitsströmung nahe der Oberfläche gleichmäßiger, was eine schwächere Geschwindigkeitsänderungsrate impliziert. Der Schlupfparameter der Geschwindigkeit hat einen bemerkenswerten Einfluss auf die Fluidgeschwindigkeit eines Hybrid-Nanofluids, was zu einer Verringerung des Geschwindigkeitsgradienten in der Nähe fester Oberflächen führt. Dieses Phänomen tritt aufgrund der hydrophoben Natur von Kohlenstoffnanoröhren auf und verursacht einen Gleitzustand an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff. Vereinfacht ausgedrückt beeinflusst der Schlupfparameter der Geschwindigkeit die Art und Weise, wie Flüssigkeiten in Nanoflüssigkeiten, die Kohlenstoffnanoröhren enthalten, aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften um feste Oberflächen fließen. Das physikalische Verhalten des Relaxationszeitparameters \({\delta }_{M}\) ist in Abb. 8b grafisch dargestellt. Der Parameter Relaxationszeit bezeichnet die Zeitdauer, die ein Fluid benötigt, um seine thermische Energie auszubreiten. Dieser Parameter wird von der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit sowie den Eigenschaften der suspendierten Partikel beeinflusst. Wenn die Flüssigkeit eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat, ist \({\delta }_{M}\) normalerweise tendenziell niedriger. Vereinfacht ausgedrückt bezeichnet dieser Parameter die Geschwindigkeit, mit der eine Flüssigkeit ihre Wärmeenergie abgibt, die von der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit sowie der Größe und Form ihrer Partikel abhängt. Daher hat eine Flüssigkeit, die Wärme effizienter leiten kann, eine kürzere Relaxationszeit. Die Verwendung eines Hybrid-Nanofluids, das sowohl MWCNT-SWCNT/Motoröl enthält, zeigt eine überlegene Wärmeleitungsfähigkeit im Vergleich zu SWCNT-Motoröl.

Der Parameter des porösen Mediums \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) des Hybrid-Nanofluidflusses zeigt, wie reibungslos ein Fluid in ein poröses Material eindringen kann. Die Fluidgeschwindigkeitsverteilung für Mono ist niedriger als für das Hybrid-Nanofluid. Darüber hinaus erklärt das Darcy-Gesetz, wie die Bewegung einer Flüssigkeit durch ein poröses Material beeinflusst wird, insbesondere wie seine Geschwindigkeit beeinflusst wird. Das Gesetz besagt im Wesentlichen, dass der Fluss der Flüssigkeit durch das poröse Medium durch den Druckgradienten, die Permeabilität des Mediums und die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wird. Aus Abb. 9a geht hervor, dass die Flüssigkeit, wenn sie sich durch ein Medium bewegt, einen Widerstand erfährt, der zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt. Jedoch. Die Oberfläche von CNTs besitzt die Fähigkeit, den Wärmeübertragungsprozess und die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten zu verbessern. Wenn diese Nanoröhren mit Motoröl vermischt werden, entsteht eine neue Kategorie von Flüssigkeiten, die als NF bekannt sind. Diese NF haben das Potenzial, in verschiedenen Arten von Ingenieurprojekten effektiv eingesetzt zu werden. Der Effekt von \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) ist in Abb. 9a dargestellt. Es wurde beobachtet, dass \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) das Temperaturprofil verbessert. Wenn Sonnenlicht in das poröse Material eindringt, wird es physikalisch vom Material absorbiert und erhöht die Temperatur des Materials. Die Bedeutung dieses Phänomens wird im Zusammenhang mit solarbetriebenen Schiffen hervorgehoben, bei denen das poröse Material als wirksames Instrument zur Steuerung der Temperatur des Energiespeichersystems wie Brennstoffzellen oder Batterien dient. Durch die Aufrechterhaltung der optimalen Temperatur in diesen Systemen wird es möglich, deren Leistung und Langlebigkeit zu verbessern, was zu einem zuverlässigeren und umweltfreundlicheren Betrieb des Schiffes führt.

Die Brinkman-Zahl ist ein dimensionsloser Wert, der in der Strömungsmechanik verwendet wird, um die Bedeutung der viskosen Kräfte im Vergleich zu den Trägheitskräften innerhalb einer Flüssigkeit zu bestimmen. Es hilft uns zu verstehen, wie stark die Viskosität der Flüssigkeit ihr Verhalten, ihre Masse und Bewegung beeinflusst. Aus Abb. 10a geht hervor, dass \({\mathrm{B}}_{\mathrm{M}}\) zunimmt, es gibt eine entsprechende Zunahme der Rate der Entropieerzeugung. Physikalisch gesehen hat die Implementierung der Solarenergietechnologie in Schiffen das Potenzial, die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen zu verringern und die negativen Umweltauswirkungen der Schifffahrtsindustrie zu minimieren. Die Wirksamkeit der Solarenergie hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, beispielsweise von der Verfügbarkeit des Sonnenlichts und der Kapazität der Photovoltaikzellen. Aus Abb. 10a geht hervor, dass mit zunehmendem Re die Rate der Entropieerzeugung aufgrund des Vorhandenseins eines größeren Hybrid-Nanofluids in der Grenzschicht zunimmt, was dazu führt, dass mehr Energie in Form von Wärme abgeführt wird. Physikalisch gesehen kann die Optimierung der Effizienz von Solarmodulen und die Erzeugung von Entropie in einem solarbetriebenen Schiff durch die Regulierung der Reynolds-Zahl innerhalb der Grenzschicht des Systems erreicht werden.

Zusammenfassend hat diese Computerstudie das Potenzial der Verwendung von MWCNT-SWCNT/EO-Hybrid-Nanofluid (HNF) und MWCNT-SWCNT-Nanofluid (NF) sowie des Cattaneo-Christov-Wärmeflussmodells zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung solarbetriebener Schiffe aufgezeigt. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die vielversprechenden Aussichten dieses neuartigen Ansatzes zur Erzielung erheblicher Verbesserungen der Wärmeübertragungsraten. Angesichts der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen bietet dieser Ansatz eine praktische und effiziente Lösung zur Bewältigung der Herausforderungen, denen sich solarbetriebene Schiffe gegenübersehen. Es wird erwartet, dass die Implementierung von CNT-Hybrid-Nanofluiden und dem Cattaneo-Christov-Wärmeflussmodell zur Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Energiesysteme beitragen wird. Insgesamt bietet diese Studie eine solide Grundlage für zukünftige Forschungen zum Einsatz von CNT-Hybrid-Nanofluiden und dem Cattaneo-Christov-Wärmeflussmodell zur Verbesserung der Leistung solarbetriebener Schiffe.

Das Ergebnis zeigt, dass HNF im Vergleich zu NF eine bessere Wärmestrahlungsverstärkung aufweist.

Durch Erhöhen der Werte von \({R}_{M}\), \({K}_{M}\), \({\delta }_{M},\) wurde beobachtet, dass das Geschwindigkeitsfeld nimmt ab.

Der Parameter \({\varpi }_{M}\) hat einen negativen Einfluss auf die Flüssigkeitsgeschwindigkeit und führt dazu, dass diese mit zunehmendem \({\varpi }_{M}\) abnimmt.

Da Nanomaterialien zusammen mit \({R}_{M}\), Ec und \({Q}_{M}\) vorhanden sind, nimmt die Dicke der thermischen Grenzschicht mit der Zeit allmählich zu, was zu einer Abnahme der führt Wärmeaustauschrate.

Die Entropieerzeugung wird durch verschiedene Parameter beeinflusst, wie z. B. \({R}_{M},\) \({B}_{M},\) Re und \({\Lambda }_{M}\ ).

Der thermische Wirkungsgrad von HNF ist besser als der von NF, mit einer relativen Verbesserung zwischen 1,78 und 2,25 %.

Die zunehmenden Werte von \({\delta }_{M}\) \({\Lambda }_{N}\) \({K}_{M}\), \(\varphi ,{\varphi }_ {h}\) fördern die Temperaturverteilung.

Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchung wird vorgeschlagen, weitere Untersuchungen durchzuführen, um die durch Computermodellierung erzielten Ergebnisse zu überprüfen und die Machbarkeit der Einführung von CNT-Hybrid-Nanofluiden und des Cattaneo-Christov-Wärmeflussmodells in industriellen Anwendungen von solarbetriebenen Schiffen zu bewerten . Es wird erwartet, dass diese neuartigen Ansätze einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Energiesysteme leisten werden. Es wurde vorgeschlagen, dass sich die zukünftige Forschung auf die Durchführung experimenteller Experimente konzentrieren muss, um die Ergebnisse von Computermodellen zu validieren. Diese Forschung könnte auch andere Arten von Nanoflüssigkeiten und Modelle des Wärmeflusses untersuchen, um herauszufinden, ob sie die Wärmeübertragungsleistung solarbetriebener Schiffe verbessern können oder nicht. Generell bilden die Ergebnisse dieser Arbeit eine solide Grundlage für zukünftige Forschungen auf diesem Gebiet. Sie zeigen auch das vielversprechende Potenzial der Nutzung von CNT-Hybrid-Nanofluiden und des Cattaneo-Christov-Wärmeflussmodells zur Verbesserung des Betriebs solarbetriebener Schiffe.

Alle in diesem Manuskript verwendeten Daten wurden im Manuskript dargestellt. Es werden keine Daten ausgeblendet oder eingeschränkt.

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M. Asif Memon

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OA Olayemi

Abteilung für Luft- und Raumfahrt, Kwara State University, Malete, 23431, Nigeria

OA Olayemi

Fachbereich Physik, Mizan Tepi University, PO Box 121, Tepi, Äthiopien

Amsalu Fenta

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Die Konzeptualisierung erfolgte durch AMO, MAM und OAO; Die Methodik wurde auch von AMO, MAM und OAO übernommen. Die Arbeit an der Software wurde von AMO, OAO und JO durchgeführt. Die Validierung erfolgte durch JO und AF; Die Erstellung des Originalentwurfs und des Revisionsentwurfs erfolgte durch AMO, OAO und MAM. JO und AF betreuten das Manuskript.

Korrespondenz mit Amsalu Fenta.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Obalalu, AM, Memon, MA, Olayemi, OA et al. Verbesserung der Wärmeübertragung in solarbetriebenen Schiffen: eine Studie über Hybrid-Nanoflüssigkeiten mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und ihre Anwendung in Parabolrinnen-Solarkollektoren mit elektromagnetischer Steuerung. Sci Rep 13, 9476 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36716-x

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Eingegangen: 06. Mai 2023

Angenommen: 08. Juni 2023

Veröffentlicht: 10. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36716-x

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