Mixed Convection Darcy-Forchheimer MHD flow and radiative heat transfer of water-ethylene glycol hybrid fluid based copper nanofluid via a permeable stretching surface with convective boundary conditions

Resumen Técnico: Flujo de Convección Mixta de Darcy-Forchheimer MHD de un Hibrido de Nanofluido

Planteamiento del Problema
Este estudio investiga las características de flujo y transferencia de calor de un fluido laminar, estacionario e incompresible de un nanofluido híbrido compuesto por nanopartículas de cobre (Cu) suspendidas en un fluido base de agua-etilenglicol ($H_2O - C_2H_6O_2$). El flujo ocurre sobre una superficie de estiramiento permeable embebida dentro de un medio poroso de Darcy-Forchheimer. El modelo físico incorpora simultáneamente varios fenómenos complejos: magnetohidrodinámica (MHD) mediante un campo magnético externo, convección mixta, radiación térmica, calentamiento por efecto Joule, disipación viscosa y generación/absorción de calor interna. Las condiciones de contorno incluyen calentamiento convectivo en la superficie y transferencia de masa mediante succión o inyección. El objetivo principal es analizar cómo estos parámetros físicos combinados influyen en el perfil de velocidad, la distribución de temperatura, el coeficiente de fricción superficial y el número de Nusselt.

Metodología
Las ecuaciones gobernantes, que representan la conservación de la masa, el momento y la energía, se formulan como ecuaciones diferenciales parciales (PDE) utilizando aproximaciones de capa límite. Para hacer que el sistema sea resoluble, se aplican transformaciones de similitud adecuadas para convertir las PDE en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODE) no lineales acopladas.

El sistema de ODE resultante se resuelve analíticamente utilizando el Método de Transformación Diferencial (DTM). Esta técnica transforma las ecuaciones diferenciales en ecuaciones algebraicas, permitiendo la construcción de soluciones en serie para las funciones adimensionales de velocidad ($f(\eta)$) y temperatura ($\theta(\eta)$). El estudio valida sus resultados numéricos comparándolos con datos previamente publicados (Shaiq et al., Gorla y Sidawi, y Khan et al.) bajo condiciones límite, demostrando una excelente concordancia.

Contribuciones Clave y Parámetros Físicos
El artículo analiza sistemáticamente los efectos de varios parámetros adimensionales:

• Número de Biot ($Bi$): Representa las condiciones de contorno convectivas.
• Número de Brinkman ($Br$): Se relaciona con la disipación viscosa.
• Parámetro de Convección Mixta ($\lambda$): Equilibra la convección forzada y la natural.
• Parámetro de Succión/Inyección ($F_w$): Controla la transferencia de masa en la frontera.
• Parámetro Magnético ($M$), Porosidad ($\Lambda$) y Parámetro de Radiación ($R$).

El estudio define las propiedades termofísicas para el nanofluido híbrido, calculando específicamente la densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, expansión térmica y conductividad térmica basadas en la fracción volumétrica de las nanopartículas de cobre.

Resultados y Discusión
El análisis gráfico revela las siguientes tendencias:

• Perfil de Velocidad:

  • El perfil de velocidad aumenta con valores más altos del número de Brinkman y del parámetro de convección mixta.
  • Por el contrario, la velocidad disminuye a medida que aumenta el parámetro de succión/inyección (es decir, una succión o inyección más fuerte reduce la magnitud de la velocidad en la capa límite).
  • El efecto del número de Biot en la velocidad varía según la condición de inyección/succión; generalmente, la velocidad se retarda con el aumento del número de Biot para la inyección y los casos impermeables, pero muestra una tendencia opuesta para la succión.

• Distribución de Temperatura:

  • La temperatura del fluido aumenta con el incremento del número de Biot y del número de Brinkman, ya que una mayor disipación viscosa y una mejor conducción térmica generan más energía térmica.
  • El perfil de temperatura exhibe un comportamiento dual respecto al número de Biot: disminuye con el aumento de $Bi$ bajo condiciones de inyección, pero aumenta bajo condiciones de succión.
  • El aumento del parámetro de succión/inyección generalmente reduce la temperatura al transportar fluido más frío cerca de la superficie, adelgazando la capa límite térmica.
  • El impacto del parámetro de convección mixta sobre la temperatura es no lineal; la temperatura aumenta con $\lambda$ cuando la disipación viscosa es despreciable ($Br=0$), pero declina a medida que $\lambda$ aumenta cuando $Br$ es significativo.

• Coeficiente de Fricción Superficial ($C_f$):

  • El coeficiente de fricción superficial (arrastre superficial) aumenta con un mayor número de Brinkman y parámetro de convección mixta.
  • Disminuye con el aumento del parámetro de succión/inyección.
  • Para los casos de inyección, un aumento en el número de Biot conduce a una reducción en el coeficiente de fricción superficial.

• Número de Nusselt (Tasa de Transferencia de Calor):

  • La tasa de transferencia de calor generalmente aumenta con el parámetro de convección mixta y el parámetro de succión/inyección.
  • El número de Brinkman muestra una relación inversa con la tasa de transferencia de calor; una mayor disipación viscosa conduce a un número de Nusselt más bajo.
  • El efecto del número de Biot sobre la transferencia de calor es condicional: mejora la tasa bajo succión, pero la reduce bajo inyección.
  • En general, la tasa de transferencia de calor es mayor para flujos de succión en comparación con los flujos de inyección.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio es el primero en evaluar la interacción de las condiciones de contorno convectivas, los campos magnéticos y la succión/inyección en el flujo de convección mixta de un nanofluido híbrido sobre superficies de estiramiento dentro de medios porosos de Darcy-Forchheimer. La investigación proporciona un marco numérico exhaustivo utilizando el DTM para resolver problemas de flujo no lineales complejos.

El estudio sugiere que estos hallazgos tienen implicaciones potenciales en diversas aplicaciones industriales y de ingeniería, incluyendo:

• Extracción de petróleo crudo
• Procesamiento de alimentos
• Sistemas de energía geotérmica
• Intercambiadores de calor
• Remediación de aguas subterráneas
• Tecnologías de generadores MHD

El artículo concluye que optimizar la composición de los nanofluidos híbridos y controlar parámetros como la succión/inyección y los campos magnéticos puede mejorar significativamente el rendimiento térmico en estos sistemas.