Thermal Analysis and Dynamics Behavior of Cattaneo-Christov Heat-Flux-Based (Fe3O4-Cu)/Water, EG-Water and Palm Oil Hybrid Nanofluid Flows through Porous Media

الحرارة مسافرة قلقة؛ ففي عالم السوائل، نادراً ما تستقر في مكانها، بل تسعى دائماً للتحرك، والصعود، والاختلاط. عندما تستقر طبقة من سائل بين أرضية ساخنة وسقف بارد، تجعل الحرارة عند القاع السائل أخف وزناً، مما يجعله يطفو صاعداً للأعلى بينما يهبط السائل الأبرد والأثقل. هذا يخلق حركة دورانية تُعرف باسم "الحمل الحراري"، وهي عملية أساسية تقود كل شيء بدءاً من أنماط الطقس وصولاً إلى تبريد شرائح الكمبيوتر. ولكن ماذا يحدث عندما لا يكون ذلك السائل مجرد ماء، بل خليطاً متطوراً يحتوي على جزيئات صلبة مجهرية؟ وماذا لو كان ذلك السائل محبوساً داخل مادة تشبه الإسفنج، مثل الصخور أو المرشحات، بدلاً من التدفق بحرية؟ هذه هي الأسئلة التي تدفع الباحثين لدراسة كيفية انتقال الحرارة عبر السوائل المعقدة المملوءة بالجسيمات داخل المساحات المسامية. إن سلوك مثل هذه الأنظمة أمر بالغ الأهمية لتصميم أنظمة تخزين طاقة أفضل، وتحسين التبريد الصناعي، وفهم كيفية انتقال الحرارة عبر قشرة الأرض.

قام فريق من الباحثين من جامعات في غينيا وبنين مؤخراً برسم خريطة لسلوك نوع محدد جداً من هذه السوائل الناقلة للحرارة. لقد ركزوا على "سائل نانوي هجين"، وهو سائل محمل بنوعين مختلفين من الجسيمات الصلبة الصغيرة: أكسيد الحديد والنحاس. هذه الجسيمات صغيرة جداً لدرجة أنها تظل معلقة في السائل دون أن تترسب، مما يحول السائل إلى موصل حراري قوي. اختبر الفريق هذا الخليط في ثلاثة سوائل أساسية مختلفة: الماء النقي، ومزيج من الماء والإيثيلين جليكول (مكون شائع لمضاد التجمد)، وزيت النخيل. وضعوا هذه السوائل داخل طبقة مسامية، وهي مادة تعمل كالإسفنج، وأخضعوا الإعداد لمجال مغناطيسي منتظم. كان هدفهم هو فهم متى وكيف سيبدأ السائل في الدوران والتحرك، وماذا سيحدث إذا أصبحت الحرارة شديدة لدرجة تجعل التدفق فوضوياً وغير قابل للتنبؤ.

وللقيام بذلك، بنى العلماء نموذجاً رياضياً مفصلاً يأخذ في الاعبع الخصائص الفريدة لسائلهم الهجين، ومقاومة الإسفنج المسامي، والتأثير المبطئ للمجال المغناطيسي. استخدموا نظرية حديثة لتدفق الحرارة تدرك أن الحرارة لا تنتقل لحظياً، بل تستغرق وقتاً ضئيلاً ومحدداً للانتقال، وهو تفصيل غالباً ما يتم تجاهله في النماذج القديمة. ومن خلال تشغيل عمليات محاكاة حاسوبية قوية، قاموا باختزال الفيزياء المعقدة للسائل المتدفق إلى مجموعة قابلة للإدارة من المعادلات التي يمكن حلها للتنبؤ بسلوك النظام. ثم راقبوا كيف يتفاعل النظام مع زيادة فرق درجات الحرارة بين الأعلى والأسفل، مما يعني رفع درجة الحرارة فعلياً لمعرفة متى سينكسر وضع السكون والاستقرار إلى حركة.

وجد الباحثون أن إضافة جزيئات الحديد والنحاس الصغيرة جعلت السائل أكثر استقراراً، مما يعني أنه يتطلب فرق درجات حرارة أكبر لبدء الحركة. كان تأثير الاستقرار هذا ثابتاً عبر جميع السوائل الأساسية الثلاثة، لكن المجال المغناطيسي لعب دوراً أكثر دراماتيكية. فعندما طبقوا مجالاً مغناطيسياً، أصبح تحريك السائل أصعب بكثير؛ حيث عملت القوة المغناطيسية مثل مكبح لحركة السائل، مما دفع نقطة عدم الاستقرار إلى درجات حرارة أعلى بكثير. ومن المثير للاهتمام أن نوع السائل الأساسي كان أقل أهمية لهذا التأثير الكابح للمغناطيس مما قد يُتوقع؛ فبغض النظر عما إذا كان السائل يعتمد على الماء أو الزيت، فإن المجال المغناطيسي يعمل على استقرار النظام بطريقة متطابقة تقريباً لأن الخصائص الكهربائية كانت تهيمن عليها جزيئات النحاس، وليس السائل نفسه.

ومع دفع الباحثين للنظام إلى أقصى حد، عبر زيادة فرق درجات الحرارة بشكل أكبر، لاحظوا الانتقال من التدفق الدوراني المنتظم والمنظم إلى الحركة الفوضوية المضطربة. في غياب المجال المغناطيسي، ظهرت هذه الحالة الفوضوية عند حد معين، ومع ذلك، فإن وجود المجال المغناطيسي والجسيمات النانوية دفع هذا الحد إلى الأعلى، مما أخر ظهور الفوضى. هذا التأخير يعد اكتشافاً قيماً للمهندسين، حيث يشير إلى إمكانية استخدام المجالات المغناطيسية للحفاظ على استقرار أنظمة نقل الحرارة وقابليتها للتنبؤ لفترات أطول. وبمجرد أن يصبح النظام فوضوياً بالفعل، تستقر كفاءة نقل الحرارة عند مستوى ثابت ومرتفع بغض النظر عن السائل الأساسي المستخدم. أما زيت النخيل، وهو بطبيعته أكثر لزوجة وأبطأ في الحركة من الماء، فقد تطلب فرق درجات حرارة أكبر بكثير ليبدأ في التدفق، ولكن بمجرد تحركه، كان ينقل الحرارة بفعالية تماثل الخلطات المعتمدة على الماء على المدى الطويل.

كشفت الدراسة أيضاً كيف يتغير هيكل التدفق تحت ظروف مختلفة. ففي الإسفنج الضيق والأقل نفاذية، شكل السائل دوامات ضيقة ومحكمة. ومع تحول الإسفنج إلى أكثر انفتاحاً ونفاذية، اتسعت هذه الدوامات لتصبح دورات أوسع وأكثر هدوءاً. وكان للمجال المغناطيسي تأثير مشابه، حيث أجبر السائل على تشكيل هياكل أدق وأكثر تماسكاً مع زيادة قوة المجال. وقد أكد الفريق دقة نماذجهم الحاسوبية من خلال مقارنة نتائجهم بالمعايجات الرياضية الراسخة للسوائل الأبسط، مما ضمن موثوقية نتائجهم لهذه الخلطات الهجينة المعقدة.

في الختបញ្ចប់، يوفر هذا العمل دليلاً واضحاً لكيفية التحكم في الحرارة في البيئات المعقدة. فهو يوضح أنه من خلال الجمع بين جسيمات نانوية محددة ومجال مغناطيسي، يمكن للمهندسين ضبط متى يبدأ السائل في التحرك ومدى فوضوية هذه الحركة. هذا التحكم ضروري لتصميم مبادلات حرارية وأنظمة إدارة حرارية أفضل، حيث يكون الحفاظ على تدفق مستقر غالباً أكثر أهمية من تعظيم السرعة. وتؤكد الأبحاث أنه بينما يهم السائل الأساسي في الإعداد الأولي، فإن المجال المغناطيسي والجسيمات الصلبة هما الأدوات الحقيقية للتحكم في استقرار وسلوك هذه السوائل الحرارية المتقدمة.