Numerical Investigation of Chemical Reaction and Thermal Radiation Effects on MHD Williamson Nanofluid Flow over a Hyperbolic Tangential Stretching Sheet with Joule Heating

في العالم الخفي للسوائل التي لا تتصرف مثل الماء، يدرس العلماء مواد يمكن أن تزداد كثافة أو تترقق أو تتمدد استجابةً للقوة. تُعرف هذه المواد بالسوائل غير النيوتونية، وهي فئة تشمل كل شيء من معجون الأسنان والطلاء إلى الخلطات المعقدة المستخدمة في التصنيع الصناعي والطب. وعندما تُخلط هذه السوائل مع جزيئات صلبة متناهية الصغر، تصبح "نانوفلويد" (سوائل نانوية)، والتي تحظى بتقدير كبير لقدرتها على نقل الحرارة بكفاءة أكبر من السوائل العادية. إن فهم كيفية حركة هذه السوائل المتقدمة، خاصة عند تعرضها لمجالات مغناطيسية أو أسطح ساخنة، أمر حيوي لتصميم أنظمة تبريد أفضل للإلكترونيات، وتحسين الأجهزة الطبية، وتحسين تخزين الطاقة. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في هذا المجال في التنبؤ بكيفية تفاعل هذه السوائل عندما يتم سحبها عبر سطح يتمدد، وهو سيناريو شائع في إنتاج الأفلام البلاستيكية والصفائح المعدنية.

لقد بحث الباحثان راميش كوني وهاري سينغ نايك ساباتوات في نسخة محددة ومعقدة من هذه المشكلة. فقد ركزا على نوع من السوائل غير النيوتونية يسمى "سائل ويليامسون"، والذي يسلك سلوك السائل "المتخفف بالقص" (shear-thinning)، مما يعني أنه يصبح أقل لزوجة ويتدفق بسهولة أكبر عند تعرضه للإجهاد. تدرس دراستهما كيفية حركة هذا السائل، المحمل بالجسيمات النانوية، فوق سطح يتمدد بطريقة منحنية محددة. وقد اهتم الباحثان بشكل خاص بالتأثيرات المشتركة لعدة قوى فيزيائية: قوة جذب المجال المغناطيسي، والحرارة المتولدة من التيارات الكهربائية التي تتدفق عبر السائل، والطاقة المشعة كحرارة من السطح، والإزالة المتعمدة للسائل من السطح عبر مسام دقيقة. ومن خلال محاكاة هذه الظروف على جهاز كمبيوتر، قاما برسم خريطة توضح بدقة كيف تتغير سرعة السائل ودرجة حرارته وتركيز الجسيمات تحت ظروف مختلفة.

قام الفريق ببناء نموذج رياضي لتمثيل تدفق مستمر لهذا السائل فوق صفيحة نفاذة، وهي سطح يسمح بمرور السائل من خلاله. وقد طبقا مجالاً مغناطيسياً عمودياً على التدفق، مما يخلق قوة مقاومة تبطئ حركة السائل. وفي الوقت نفسه، أخذا في الاعتبار "تسخين جول"، وهي ظاهرة حيث تحول المقاومة الكهربائية للسائل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية، مما يؤدي فعلياً إلى تسخين السائل من الداخل. كما شملت الدراسة تأثيرات الإشعاع الحراري، حيث تنتقل الحرارة كموجات كهرومغناطيسية، وعملية "الامتصاص" (suction)، حيث يتم سحب السائل بنشاط إلى داخل الصفيحة المسامية. واستخدم الباحثون طريقة عددية قوية لحل المعادلات المعقدة التي تحكم هذا النظام، مما سمح لهم بتصور كيفية تأثير كل عامل على الآخر دون الحاجة إلى إجراء تجارب فيزيائية في المختبر.

أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق أن المجال المغناطيسي يعمل بمثابة مكبح على السائل. فكلما زادت قوة المجال المغناطيسي، انخفضت سرعة السائل لأن القوة المغناطيسية تعارض الحركة. ومع ذلك، فإن هذا التباطؤ له أثر جانبي: فهو يتسبب في تسخين السائل. إذ تولد الاحتكاك والمقاومة الكهربائية مزيداً من الحرارة الداخلية، مما يؤدي إلى زيادة سماكة طبقة السائل الساخن بالقرب من السطح. وبالمثل، وجد الباحثون أن زيادة معامل الامتصاص، الذي يسحب السائل إلى داخل الصفيحة، يقلل من سرعة ودرجة حرارة السائل بالقرب من السحط. يحدث هذا لأن الامتصاص يزيل السائل الأكثر دفئاً والأسرع حركة ويستبدله بسائل أبرد من مناطق أبعد، مما يؤدي فعلياً إلى ترقيق الطبقات الحدية حيث تحدث هذه التغييرات.

تتأثر الحرارة المنتقلة داخل السائل أيضاً بحركة الجسيمات النانوية نفسها. وأظهرت الدراسة أن آليتين محددتين تقودان هذه الحركة: "الحركة البراونية"، وهي الارتجاج العشوائي للجسيمات الناتج عن الاصطدامات مع جزيئات السائل، و"التوفير الحراري" (thermophoresis)، وهو انتقال الجسيمات من المناطق الساخنة إلى المناطق الأبرد. فعندما تزدادة شدة الحركة البراونية، تنقل الاصطدامات العشوائية المزيد من الطاقة، مما يرفع درجة الحرارة الإجمالية للسائل ويزيد من سماكة الطبقة الحرارية الحدودية. في المقابل، عندما تكون قوة التوفير الحراري قوية، تهاجر الجسيمات بعيداً عن السطح الساخن نحو المناطق الأبرد، مما يزيد أيضاً من درجة حرارة السائل ولكنه يقلل من معدل انتقال الحرارة بعيداً عن الجدار. كما تلعب التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل السائل دوراً أيضاً؛ فمع زيادة معدل التفاعل الكيميائي، ينخفض تركيز الأنواع المتفاعلة بسرعة، مما يؤدي بدوره إلى تغيير كثافة السائل ولزوجته، ويغير أنماط التدفق بشكل طفيف.

كما فحص الباحثون كيف تؤثر الخصائص الداخلية للسائل، مثل مؤشر قانون القوة (power-law index) والخصائص المحددة لنموذج ويليامسون، على التدفق. ووجدوا أنه كلما أصبح السائل أكثر مقاومة للتدفق بسبب اللزوجة العالية، انخفضت سرعته، لكن طبقات الحرارة والتركيز بالقرب من السطح تصبح أكثر سماكة. وذلك لأن السائل يتحرك ببطء أكبر، مما يتيح وقتاً أطول لانتشار الحرارة وتراكم الجسيمات. وأكدت الدراسة أن إضافة الإشعاع الحراري تزيد بشكل كبير من توزيع درجة الحرارة داخل السائل، حيث يضيف الإشعاع طاقة إضافية إلى النظام. ويكون هذا التأثير ملحوظاً بشكل خاص في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، حيث يصبح انتقال الحرارة الإشعاعي قوة مهيمنة.

يتعلق أحد أهم النتائج بالتفاعل بين المجال المغناطيسي والخصائص الكهربائية للسائل. فقد أظهرت عمليات المحاكاة أن تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة، المعروف بتسخين جول، هو محرك رئيسي لارتفاع درجة الحرارة. فكلما اشتدت شدة التيار الكهربائي الناجم عن المجال المغناطيسي، زاد تولد الحرارة الداخلية، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في درجة الحرارة عبر الطبقة الحدودية. وتعد هذه النتيجة حاسمة للتطيات التي تتضمن سوائل موصلة للكهرباء، حيث تسلط الضوء على أن المجالات المغناطيسية لا تكتفي بإبطاء التدفق فحسب، بل تعمل أيضاً على تسخينه بنشاط. وقد تحقق الباحثون من صحة نماذج الكمبيوتر الخاصة بهم من خلال مقارنة نتائجهم بدراسات سابقة حول تدفقات سوائل مماثلة، ووجدوا تطابقاً وثيقاً أكد موثوقية نهجهم.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل خريطة مفصلة لكيفية تفاعل المتغيرات الفيزيائية المختلفة لتشكيل سلوك سائل نانوي معقد. وتظهر الدراسة أنه بينما يمكن استخدام المجالات المغناطيسية والامتصاص للتحكم في سرعة وسماكة طبقة السائل، إلا أنها تقدم أيضاً تأثيرات حرارية كبيرة يجب إدارتها. إن التوازن بين تولد الحرارة من التيارات الكهربائية، والإشعاع من السطح، وحركة الجسيمات النانوية هو ما يحدد درجة الحرارة النهائية وملف التدفق. وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون أنظمة تعتمد على هذه السوائل، فإن النتائج تقدم دليلاً واضحاً: إن زيادة قوة المغناطيس أو الامتصاص ستؤدي إلى إبطاء السائل، لكنها ستغير أيضاً المشهد الحراري بطرق تتطلب حسابات دقيقة لتجنب ارتفاع درجة الحرارة أو عدم كفاءة انتقال الحرارة. وتؤكد الأبحاث أنه في عالم السوائل المتقدمة، فإن كل قوة يتم تطبيقها لها تأثير متتابع على كل من الحركة ودرجة الحرارة، وأن فهم هذه الروابط أمر ضروري لإتقان هذه التكنولوجيا.