CVFEM Study and Sensitivity Analysis of Transient Rheological Flow of Non- Newtonian Carreau SWCNT-CuO Hybrid Nanofluids over a Rotating Spherical Boundary
यह अध्ययन कंट्रोल वॉल्यूम फाइनाइट एलीमेंट मेथड का उपयोग करके पारगम्य माध्यम में एक घूमते हुए गोलाकार सीमा पर गैर-न्यूटनियन कैरो (Carreau) SWCNT-CuO हाइब्रिड नैनोफ्लुइड के क्षणिक रियोलॉजिकल प्रवाह की संख्यात्मक जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि मोनो-नैनोफ्लुइड्स की तुलना में हाइब्रिड नैनोफ्लुइड्स बेहतर तापीय अपव्यय और उछाल एवं चुंबकीय मापदंडों के प्रति विशिष्ट संवेदनशीलता प्रतिक्रिया प्रदर्शित करते हैं।
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ऐसे तरल पदार्थ जो पानी या हवा की तरह व्यवहार नहीं करते, वे आधुनिक इंजीनियरिंग के गुमनाम नायक हैं। जबकि पानी आसानी से और पूर्वानुमानित रूप से बहता है, कई औद्योगिक तरल पदार्थ, जैसे कि इंजन ऑयल, पेंट या रक्त, उन्हें कितनी तेज़ी से हिलाया या धकेला जा रहा है, इसके आधार पर अपनी गाढ़ापन बदलते हैं। यह गुण, जिसे नॉन-न्यूटनियन व्यवहार (non-Newtonian behavior) कहा जाता है, का अर्थ है कि एक तरल पदार्थ तनाव के तहत पतला होकर तेज़ी से बह सकता है, या इसके विपरीत, गाढ़ा होकर गति का विरोध कर सकता है। जब इंजीनियर उच्च गति वाली मशीनरी को ठंडा करने या जटिल प्रणालियों में ऊष्मा (heat) को प्रबंधित करने का प्रयास करते हैं, तो वे अक्सर इन तरल पदार्थों में सूक्ष्म ठोस कण मिला देते हैं ताकि वे ऊष्मा को बेहतर ढंग से ले जा सकें। इस विचार के सबसे उन्नत संस्करण "हाइब्रिड" मिश्रणों का उपयोग करते हैं, जो दो अलग-अलग प्रकार के सूक्ष्म कणों को मिलाकर एक ऐसा तरल बनाते हैं जो केवल एक प्रकार के कण वाले तरल की तुलना में अधिक मजबूत और कुशल होता है। ये जटिल तरल पदार्थ कैसे चलते हैं, विशेष रूप से जब उन्हें तेजी से घुमाया जाता है या चुंबकीय क्षेत्रों के अधीन किया जाता है, इसे समझना अंतरिक्ष यान से लेकर चिकित्सा उपकरणों तक, सब कुछ के लिए बेहतर शीतलन प्रणालियों (cooling systems) को डिजाइन करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस बात की जांच की कि ऐसा परिष्कृत तरल पदार्थ एक घूमते हुए गोले (spinning sphere) के ऊपर कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने एक विशिष्ट मिश्रण पर ध्यान केंद्रित किया: इंजन ऑयल जिसमें दो अलग-अलग प्रकार के नैनोकण, सिंगल-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब और कॉपर ऑक्साइड मिलाए गए थे। यह संयोजन एक हाइब्रिड तरल बनाता है जिसे अत्यधिक ऊष्मा और तनाव को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति का अनुकरण (simulate) किया जहाँ यह तरल एक घूमती हुई गेंद के पास बहता है, एक ऐसी स्थिति जो गोलाकार बेयरिंग, घूमती हुई मशीनरी और यहाँ तक कि वायुमंडल में अंतरिक्ष यान के पुनः प्रवेश (re-entry) की स्थितियों की नकल करती है। इस समस्या को और अधिक वास्तविक बनाने के लिए, उन्होंने एक समय के साथ बदलने वाले चुंबकीय क्षेत्र के प्रभावों को भी शामिल किया, जो बिना छुए तरल की गति को नियंत्रित करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक सामान्य तकनीक है। लक्ष्य यह देखना था कि घूर्णन (rotation), चुंबकीय खिंचाव और हाइब्रिड तरल के अद्वितीय गुण, प्रवाह की गति और ऊष्मा स्थानांतरण के तरीके को बदलने के लिए कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।
इस जटिल पहेली को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक शक्तिशाली कंप्यूटर पद्धति का उपयोग किया जिसने गोले के चारों ओर के स्थान को लगभग 141,256 तत्वों के विस्तृत ढांचे में विभाजित किया, जिसमें 160 तत्वों का उपयोग करके ग्रिड स्वतंत्रता सत्यापन (grid independence verification) किया गया। इस दृष्टिकोण ने उन्हें तरल की गति को अत्यधिक सटीकता के साथ ट्रैक करने की अनुमति दी, यह सुनिश्चित करते हुए कि गणना में कोई ऊर्जा या द्रव्यमान नष्ट न हो। उन्होंने हजारों सिमुलेशन चलाए, जिसमें चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति, गोले के घूर्णन की गति और नैनोकणों की सांद्रता जैसे चरों (variables) को समायोजित किया। परिणामों ने कार्य करने वाले बलों की एक स्पष्ट तस्वीर पेश की। जब शोधकर्ताओं ने उछाल बल (buoyancy force) को बढ़ाया, जो तापमान के अंतर के कारण होने वाले प्राकृतिक उत्थान की तरह कार्य करता है, तो तरल की गति काफी बढ़ गई। बाउंड्री लेयर (boundary layer), जो गोले की सतह के ठीक बगल में तरल का पतला क्षेत्र है, बाहर की ओर फैल गई, जिससे प्रवाह अधिक जोरदार हो गया। इसके विपरीत, जब उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र को मजबूत किया, तो तरल की गति नाटकीय रूप से धीमी हो गई। चुंबकीय क्षेत्र ने एक अदृश्य ब्रेक की तरह कार्य किया, जिससे एक प्रतिरोधी बल उत्पन्न हुआ जिसने प्रवाह की परत को संकुचित कर दिया और सतह के पास तरल की गति को कम कर दिया।
अध्ययन ने एकल-कण वाले तरल पदार्थों की तुलना में हाइब्रिड मिश्रण के बेहतर प्रदर्शन पर भी प्रकाश डाला। कार्बन नैनोट्यूब और कॉपर ऑक्साइड का संयोजन ऊष्मा प्रबंधन में कहीं अधिक प्रभावी साबित हुआ। जब शोधकर्ताओं ने यह देखा कि तरल ऊष्मीय ऊर्जा को कितनी अच्छी तरह से नष्ट कर सकता है, तो हाइब्रिड मिश्रण ने लगातार एकल-कण संस्करणों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया। एक विशिष्ट कारक सबसे प्रमुख निकला: सतह पर संवहनी ऊष्मा (convective heating)। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने गोले की सतह पर ऊष्मा आपूर्ति की दर बढ़ाई, उन्होंने तरल की उस ऊष्मा को दूर ले जाने की क्षमता में भारी उछाल देखा। यह सुझाव देता है कि वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में, तरल संरचना के समान ही सतह की तापन स्थितियों (surface heating conditions) को नियंत्रित करना भी महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, अध्ययन ने पुष्टि की कि इन व्यवहारों की भविष्यवाणी करने वाले गणितीय मॉडल अत्यधिक विश्वसनीय थे, क्योंकि दो अलग-अलग गणना विधियों ने लगभग समान परिणाम दिए, हालांकि एक मॉडल ने घर्षण और ऊष्मा स्थानांतरण के लिए लगातार थोड़े उच्च मानों की भविष्यवाणी की।
शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि उनका सिस्टम अपने वातावरण में होने वाले परिवर्तनों के प्रति कितना संवेदनशील है। उन्होंने पाया कि प्रवाह उछाल (buoyancy) और सतह की ऊष्मा के परिवर्तनों के प्रति सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील था, जिसमें हाइब्रिड तरल ने इन कारकों के प्रति विशेष रूप से मजबूत प्रतिक्रिया दिखाई। इसके विपरीत, तरल अपने आंतरिक लोच (elasticity) के परिवर्तनों के प्रति कम संवेदनशील था, जिसका अर्थ है कि हालांकि तरल का लचीलापन मायने रखता था, लेकिन यह प्रवाह के व्यवहार का प्राथमिक चालक नहीं था। चुंबकीय क्षेत्र, हालांकि तरल को धीमा करने में प्रभावी था, लेकिन सतह की ऊष्मा स्थितियों की तुलना में समग्र ऊष्मा स्थानांतरण पर इसका प्रभाव मध्यम था। ये निष्कर्ष उन इंजीनियरों के लिए एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करते हैं जिन्हें ऐसे सिस्टम डिजाइन करने की आवश्यकता है जहाँ तरल को चुंबकीय प्रभाव के तहत घूमती वस्तुओं के चारों ओर बहना होता है। घूर्णन, चुंबकत्व और ऊष्मा के प्रति इन हाइब्रिड तरल पदार्थों की प्रतिक्रिया को समझकर, डिजाइनर अब अपनी शीतलन प्रणालियों को अधिक कुशल बनाने के लिए अनुकूलित कर सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि उच्च गति वाली मशीनरी ठंडी और सुरक्षित रहे। अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि इन प्रवाहों का भौतिक विज्ञान जटिल है, फिर भी वे अनुमानित पैटर्न का पालन करते हैं जिन्हें इंजीनियरिंग की चुनौतियों को हल करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
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