太陽熱伝達の強化 - 株式会社チェリーブロッサム

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9476 (2023) この記事を引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究の目的は、海事産業における温室効果ガスの排出と化石燃料への依存を削減する手段として、太陽光発電船 (SPS) の使用を調査することです。この研究は、カーボンナノチューブ (CNT) を含むハイブリッドナノ流体 (HNF) を採用することにより、SPS の熱伝達効率を改善することに焦点を当てています。さらに、SPS の性能を向上させるために、再生可能エネルギーと電磁制御を利用した新しいアプローチが提案されています。この研究では、非ニュートンマクスウェル型とカッタネオ・クリストフ熱流束モデルを船舶に使用される放物線トラフ型太陽熱集熱器に実装しています。この研究では、CNT ベースの HNF の熱伝導率と粘度を評価する理論実験とシミュレーションが行われています。 SPS における熱輸送の有効性を決定するために、太陽熱放射、粘性散逸、滑りやすい速度、多孔質媒体などのさまざまな特性が評価されます。この研究では、類似度変数を使用して複雑な偏微分方程式を常微分方程式に単純化し、チェビシェフコロケーションスペクトル法を使用してそれらを解きます。結果は、MWCNT-SWCNT/EO ハイブリッドナノ流体が熱伝導率を大幅に向上させ、それによって熱伝達を強化することを示しています。 HNF は約 1.78% の効率を示し、最小効率は 2.26% です。

世界的なエネルギー需要は増加し続けていますが、化石燃料の枯渇と電気などの従来のエネルギー源のコストの上昇により、科学者は近年、再生可能エネルギーに焦点を移しています1。持続可能な資源からの発電は、温室効果ガスを排出しないため、環境に優しい発電方法です。対照的に、化石燃料の燃焼は二酸化炭素を大気中に排出し、地球温暖化の原因となります2。さらに、環境活動家は、持続可能な資源の使用が炭素汚染の減少と地球温暖化速度の減速に大きな影響を与える可能性があると強く信じています3。近年、太陽エネルギーは、そのアクセスしやすさ、有害な排出物の欠如、環境への影響が最小限であることから、持続可能なエネルギーの選択肢として広く議論されるようになり、エネルギー生産にとって非常に魅力的な選択肢となっています4。太陽エネルギーは、すべてのエネルギー源の中で、長期使用、アクセスの可能性が最も高く、環境への悪影響が最も少ないエネルギーです。このエネルギー源を適切に利用すれば、現在世界中で使用されている電力量の約 4 倍を生成できる可能性があります5。最近の研究によると、世界の CO2 排出量は、1985 年に記録されたレベルと比較して、2050 年までに 75% 減少すると予想されています6。米国エネルギー省が実施した研究によると、地表に到達する太陽エネルギーの量は、1985 年に減少します。わずか 90 分で、1 年間の世界のエネルギー需要を満たすのに十分です7。米国からの報告では、太陽エネルギーが他の形態のエネルギーの自然な代替品として機能することが発見されました。さらに、太陽光発電システムは、暖房と冷房の目的で利用できる熱エネルギーを生成できます。したがって、現在の主な関心事は、太陽エネルギーを利用する最も効果的な方法を見つけることです。

現在、太陽光を電気に変換する 2 つの著名な方法が広く使用されており、皆さんもよくご存じのはずです。それは、太陽光発電システム (PV) と集中太陽エネルギー (CSE)8 です。太陽光発電システムには、(a) 家庭や企業向けの発電 9 (b) 宇宙船や衛星への電力供給 10 (c) 自動車、バス、ボートなどのさまざまな種類の車両への電力供給、(d) 遠隔地への電力供給など、数多くの用途があります。都市中心部から遠く離れた地域に電力を供給する、発電機、街路灯、無線通信装置で構成される (RAPS) システム。簡単に言うと、太陽光発電システムは、持続可能で電力網から独立して動作できる、環境に優しく、手頃な価格でメンテナンスの手間がかからない電気を生成する方法を提供します。光起電力デバイスは主に、電子を通じて電気を伝導する半導体材料で構成されています。無制限の数の電子を伝導できる導体とは異なり、半導体は電子の流れを制御できる独自の特性を備えています。この特徴により、半導体は太陽光発電デバイスにとって貴重なコンポーネントとなります。一方、CSPは、反射面や光学技術を利用して太陽光を非常に狭い範囲に集中させ、太陽光から発電する方法です。この集中した太陽光は熱に変換され、タービンを駆動して発電する蒸気の生成に使用できます11。 CSP プラントは大量の電力を生成することができ、日射量が多い地域では特に有益です。さらに、これらのプラントは大規模に建設することができます。太陽エネルギーから電気を生成するには、反射板または光学系を通して太陽光線を小さな領域に集中させる集中太陽光発電技術が使用されます。このプロセスで熱が発生し、その熱を発電機に通すことで電気を生成することができます。ただし、一部のテクノロジーでは光学またはその他のシステムが使用されているため、すべてのテクノロジーが太陽光を集中させるためにミラーに依存しているわけではないことに注意することが重要です。太陽光の熱への変換は、吸収と呼ばれる物理的プロセスを通じて発生することにも注意する必要があります12。参考文献13によると、米国のカリフォルニアやアリゾナなど、乾燥した暑い気候を特徴とする地域は、集中した太陽光発電を利用する大規模プラントの開発に適しているという。この形式の再生可能エネルギーは、環境に優しく、有害な汚染物質を排出しないため、化石燃料などの再生不可能な代替エネルギーよりも好まれています。結論として、太陽エネルギーはクリーンで持続可能な選択肢であり、従来のエネルギー源よりも好まれています。

現在、産業輸送における重油 (HFO) と船舶用ディーゼル油 (MDO) の使用は、世界の総二酸化炭素排出量の約 3% を占めています14。参考資料 15 に基づくと、2015 年には約 9 億 3,200 万トンの汚染物質が大気中に放出されたと報告されています。これを大局的に見ると、この量は 2017 年にドイツで発生した汚染物質の総量よりも多いことになります。 9億500万トン。これらの船舶から放出される汚染物質には、人間の健康、環境、気候に悪影響を与える可能性のある有害な汚染物質が多数含まれています。さらに、参考文献16は、重油の燃焼によるガスの排出には、二酸化炭素に加えて、硫黄酸化物、燃焼副生成物、窒素酸化物、重金属の混合物が含まれることを強調している。最近、研究者たちは太陽エネルギーを商用船に電力を供給するために利用する可能性を研究しています。目標は、これらの船舶によって生成される温室効果ガスの数を削減することです。船舶の動力に太陽エネルギーを利用することは、環境に優しい船舶の建造を可能にするため、多くの国で望ましい選択肢とみなされています。 19 世紀に、フランスの科学者オーギュスタンムーショは、船の推進源として太陽エネルギーを利用するというアイデアを最初に提案した人でした 17。最初に運用可能な太陽光発電船は 1970 年代に建造され、その主な目的はレクリエーション活動でした。 1990 年、スイスは太陽エネルギーを動力源とする初の商用輸送機である Sun 21 の組み立て場所でした。このボートは 2 つの電気エンジンを備えた双胴船で、ボートの表面に取り付けられたソーラーパネルによって電力が供給されました。この画期的な開発に続いて、多数の太陽光発電船が開発され、貨物輸送や科学研究などのさまざまな産業で利用されています18。太陽光発電船の開発の主な目的は、化石燃料への依存を減らし、輸送による環境への影響を軽減することです。海運業界は大量の温室効果ガス排出の責任を負っており、太陽光発電の船舶はよりクリーンで持続可能な代替手段を提供します。太陽の力を利用することで、これらの船は二酸化炭素排出量を削減し、より環境に優しい輸送手段を提供できます。参考文献 19 によると、国際海事機関 (IMO) は、2050 年までに輸送による温室効果ガス排出量を少なくとも 50% 削減するという目標を設定しました。この目標は、気候変動に対処し、世界の持続可能な開発を促進する IMO の取り組みの一環です。海事産業。 Obalalu らによって行われた研究 20 は、太陽熱温水ポンプにモノ/ハイブリッドナノ流体を使用する太陽光発電船における熱伝達効率の評価に焦点を当てています。解析では太陽放射を主な熱源として考慮し、熱放射の流れ、粘性散逸、熱源などのさまざまな要因を調べて船の性能を決定します。熱伝達率の相対的な割合は、ナノ流体と比較した場合、ハイブリッドナノ流体では 24% 増加すると結論付けられました。 Bellos らの研究成果 21 は、太陽熱システムにおける包括的な熱解析とエントロピー解析を実行する重要性を強調しています。さらに、この研究は、パラボラトラフ型太陽熱集熱器（PTSC）の性能を向上させるためにナノ流体を利用することを示唆しています。この研究では、透過性媒体の透過率が 1.6% から 14.9% に増加すると、相対熱伝達率が大幅に増加すると結論付けています。海軍水上戦闘艦に関するカークパトリックの研究 22 によれば、設置された太陽光発電システムの効率が評価されました。研究結果により、太陽電池の設置によって増加する重量は、航海中に船舶に不可欠な燃料や食料などの重要な物資の重量に比べれば取るに足らないことが明らかになった。 23 によって行われた研究では、遠隔地で操業する小型漁船の電源としてソーラーパネルを使用する実現可能性が調査されました。この結果は、ボートにソーラーパネルを設置すると余分な抵抗が発生する可能性があり、特に風の強い状況では燃料消費量が増加する可能性があることを示しています。 Hussein ら 24 は、船舶で再生可能エネルギーを生成する手段として太陽光発電システムを利用し、それによって再生不可能な化石燃料への依存を減らすことができる可能性を示す研究を実施しました。 Lan らの研究 25 では、研究者らは船舶の電力運用に最適な太陽光発電システム統合の割合を特定することを目的とした方法論を導入しました。このアプローチの目標は、資金調達費用、燃料費、エンジンの排出量を削減することです。さらに、大型石油運搬船に設置された太陽光発電パネルの傾斜角特性を改善するためにさらなる検討を実施しました。図 1 は、太陽エネルギーによって電力を供給される船を示しています。

太陽光発電の船を描いています。

近年、ナノ流体は、太陽熱集熱器を含むさまざまな加熱用途の作動流体としてますます人気が高まっています。これは、熱伝達を高める効果があるためです26。パラボラトラフソーラーコレクト (PTSC) は、凹面鏡を使用して太陽光を反射し、液体が入ったチューブに集中させることで太陽エネルギーを利用する太陽エネルギー装置の一種です。液体は熱を吸収して使用可能なエネルギーに変換します。レシーバーチューブを満たすために熱伝達流体 (HTF) を使用するのが一般的です27。 HTF の目的は、熱エネルギーを熱交換器に伝達し、そこで蒸気を生成して発電するために使用されます。複数の研究研究により、パラボラトラフ型太陽熱集熱器の伝熱流体としてナノ流体を使用すると、システムの全体的な効率が向上することがわかっています。これは、従来の流体と比較してナノ流体の優れた熱特性によるものです。これらの特性には、より高い熱伝導率と比熱容量が含まれます。さらに、ナノ流体中のナノ粒子の存在により、熱伝達の表面積が増加し、最終的にシステムの効率が向上します28。ナノ流体の利用によって達成されたパラボラトラフ型太陽光集熱器の性能向上は、将来の持続可能なエネルギー源の開発に大きな影響を及ぼします。より効率的な作動流体を使用することにより、太陽光によって生成されるエネルギーを増加させることができます。このアプローチは天然燃料への依存の減少につながり、ひいては気候変動の影響の緩和に役立つ可能性があります。

ナノ流体 (NF) は独特の熱特性で知られており、太陽光発電システム (SPS) の熱伝達効率を大幅に向上させることができます29。ナノ流体 (NF) は、金属 (金、二酸化チタン、鉄) または非金属 (ポリエチレングリコール、酸化亜鉛、シリカ) 材料のナノ粒子 (NP) がベース流体 ( BF）。ナノ流体は、さまざまな重要な要因により、熱アプリケーションにとって有望な選択肢です。これらの要素には、熱を効率的に伝導し、表面積を増やし、比熱容量を改善し、安定性を確保し、粘度を下げる能力が含まれます30。これらの特性の組み合わせにより、ナノ流体は多くの産業で使用するための魅力的な選択肢となります。カーボンナノチューブ (CNT) は、主に炭素原子で構成されるナノ粒子の一種です。 CNT は円筒形で、長さは数ナノメートルから数マイクロメートルまでさまざまです 31。 CNT の独特の物理的、機械的、電気的特性により、CNT は医療、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵などのさまざまな分野での使用に適しています。（CNT）は、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）、二層カーボンナノチューブ（DWCNT）、多層カーボンナノチューブ（MWCNT）などのさまざまな種類に分類されます32。 SWCNT は、炭素原子からなる孤立した円筒構造で構成されています。逆に、MWCNT と DWCNT は、複数の入れ子になった炭素原子のシリンダーで構成されています。個々のタイプのカーボンナノチューブ (CNT) の構造的および組成的特徴は、CNT を幅広い分野で有用にする独特の特性を与えます 33。 Salawu ら 34 は、銀ナノ粒子でコーティングされた SWCNT と二硫化モリブデンナノ粒子で官能化された MWCNT を多孔質シリンダー内に含む磁性ナノ流体の混合物の弾性変形を調べる研究を実施しました。 hachicha ら 35 は、さまざまな季節条件下で PTSC の熱伝達を強化するために、MWCNT と水で作られた一種のナノ流体を使用する有効性を調査する研究を実施しました。彼らのコンピューターシミュレーションでは、このナノ流体の使用により、熱伝達率の測定に使用される重要なパラメーターであるヌッセルト数が最大 21 パーセントポイントの大幅な増加につながることが示されました。最近の研究では、化学反応の影響下での回転ディスク上の単層および多層カーボンナノチューブ (SWCNT、MWCNT) の電磁結合応力を研究しています。修正されたハミルトン・クロッサーモデルと熱放射効果を使用して、平行プレートチャネル間の三元ナノ流体の熱伝達メカニズムが研究されました37。ニュートン加熱と熱放射の影響を受ける球面磁化表面上の ZnO-SAE50 ナノ潤滑剤の熱増強の数値研究が 38 によって研究されました。 GFEM を使用した、さまざまな物理パラメータ下での放射チャネル内の三元ナノ流体流の熱伝達性能の解析が研究されました 39。 [(ZnO-MWCNTs)/水-EG(50:50)]hnf における熱輻射線とリガ表面上の対流条件による伝熱検査が 40 によって研究された。印加磁場と対流熱条件の新しい効果を考慮することによる、ハイブリッド (Al2O3 – CuO/H2O) および三元ハイブリッドナノ流体 (Al2O3 – CuO – Cu/H2O) における熱効率が研究されました 41。有効プラントル数モデル (EPNM) の新しい効果を誘発することによる、熱放射と対流熱条件の影響下での gAl2O3 – C2H6O2 ナノ流体の数値熱特性が研究されました 42。

ハイブリッドナノ流体 (HNF) は、ベース流体とナノ粒子で構成される複合流体であり、流体の熱伝達特性を強化するために利用されます43。 HNF は、太陽からの放射によるソーラーコレクターおよび太陽電池の効率を改善する潜在的な手段として特定されています。ソーラーコレクターは、太陽からエネルギーを収集し、それを熱に変換し、コレクター内を流れる液体に伝達する装置です。ハイブリッドナノ流体には、熱伝導率を高めることで流体の熱伝達効率を高めることができる小さな粒子が含まれています。この改善により、太陽熱収集器の全体的な性能が向上し、より速い速度で太陽放射を有用なエネルギーに変換できる可能性があります36。太陽電池は、太陽放射を電気エネルギーに変換するときに大量の熱を発生します。この問題に取り組むには、ハイブリッドナノ流体を冷却剤として使用できます。ナノ流体を混合することで、これを簡単に実現できます。

太陽エネルギーシステムで HNF を使用すると、太陽電池の過熱を防ぐことができ、太陽電池の効率と寿命が向上します。太陽エネルギーシステムにハイブリッドナノ流体を組み込むと、熱伝達効率が向上し、太陽放射が有用なエネルギーに変換される速度が向上します。太陽エネルギーシステムでハイブリッドナノ流体を使用するには課題がありますが、研究者は現在、それらを克服するために取り組んでいます。目標は、これらのナノ流体の効率と安全性を向上させることです。たとえ障害があっても、ハイブリッドナノ流体は太陽エネルギーシステムをより効率的で環境に良いものにする可能性を秘めています。これに関して、Khan らの研究 44 では、多孔質の延伸シリンダーを横切るエチレングリコール/水 HNF を含む放射粘性銅アルミナの熱性能が強調されています。熱放射の影響下における MHD 酸化銅 - 酸化鉄 / 血液 HNF 垂直多孔質チャネルの数学的モデリングは、45 によって研究されました。彼らの結果は、酸化銅-酸化鉄 HNF よりも酸化銅 NF の方が血流が大きいことを示しています。粒子形状係数による伸縮シート上のサタビーハイブリッドナノ流体の数値評価は46によって研究された。パラボラトラフソーラーコレクタの主冷却材としてソーラー航空機用途に使用されるウィリアムソンハイブリッドナノ流体の流れのエントロピー生成と熱性能は47によって研究された。二次収束技術による (Cu-AA7075/C6H9NaO7) MHD 駆動のハイブリッドナノ流体回転流を利用した太陽光 HVAC の熱調査: 新しい工学的研究が 48 によって調査されました。拡張可能な表面を介した粘性ウィリアムソン二相ナノ流体流への電磁放射影響に対するガラーキン有限要素法ソリューションが研究されました 49。サタビーハイブリッドナノ流体の時間依存の磁気駆動流れの不可逆性解析: 熱数学モデルが 50 によって研究されました。エントロピー生成を伴う放射ウィリアムソンハイブリッドナノ流体のダイナミクス: ソーラー航空機における重要性は、51 によって調査されました。化学反応と粘性散逸を伴う伸縮表面を通る熱吸収および放射性流体磁性ナノ流体のダイナミクスが研究されました 52。ウォーターポンプ用途のソーラーコレクター内を流れる銅-二酸化ジルコニウム/エチレングリコールナノ流体の熱強化ハイブリッドが研究されました53。潜在的な太陽エネルギー冷却用途としての Maxwell ナノ流体フロースルーソーラーコレクターの化学反応と熱特性: 修正された Buongiorno モデルが調査されました 54。滑り条件のある伸縮性表面上のエチレングリコールベースのグラフェンと二硫化モリブデンのハイブリッドナノ流体の動力学が研究されました55。ナビエの部分滑りと熱ジャンプ条件を伴う指数関数的に伸縮可能なシート上で Cu-Al2O3 ハイブリッドナノ流体の流れを運ぶ水の動力学に関する数値的および統計的探査が、56 によって調査されました。接線双曲線単相ナノ流体を使用することによるソーラー航空機の機械的改善が57によって研究されました。部分滑りを伴う非ニュートンナノ材料の生物対流に対するアレニウスの活性化エネルギーと温度依存粘度の影響が58によって研究されました。パラボラトラフソーラーコレクタにオールドロイドハイブリッドナノ流体を使用した太陽光発電船の熱解析特性評価: 最適な熱応用が研究されました59。

粘度は流体力学の基本概念であり、物質の動きに対する抵抗を指します。この原理により、流体はニュートン流体と非ニュートン流体 (NNF) の 2 つのカテゴリに分類されます。ニュートン流体の粘度は固定されており、力や圧力が加えられても変化しません。ニュートン流体の例には、水、空気、およびさまざまな油が含まれます60、61。一方、非ニュートン流体は、流れの条件および流体に加えられる圧力または力の量に応じて粘度が変化する、異なる種類の挙動を示します。彼ら62。したがって、非ニュートン流体の粘度は、それらが受ける流動条件に基づいて変化します。 NNF は、食品、化粧品、医薬品、地質系や生物系など、さまざまな自然系および人工系に存在します。 NNF の一般的な例としては、ケチャップ、歯磨き粉、血液などがあります。 NNF の厚さに影響を与える可能性がある最も重要な変数の 1 つは、物質が曝露される太陽放射の量です。太陽光線、特に紫外線 (UV) は、NNF63 の分子構造と物理的特性の両方に変化を引き起こす可能性があります。これらの変化は、材料の粘度や流動性に影響を与える可能性があります。研究結果は、ポリマーやタンパク質などの非天然繊維は、紫外線にさらされると分子構造が変化する可能性があることを示唆しています。 NNF の流動能力や弾性などの特性は、温度を変化させる可能性がある光エネルギーの影響を受ける可能性があります。 NNF が紫外線にさらされると分解され、その厚さと有効性が低下する可能性があります。地質系では、太陽光が NNF を加熱し、粘性を下げて移動しやすくする可能性があります 64。マクスウェル流体は、応力を受けると粘性と弾性の両方の特性を示す特定の種類の NNF であり、他の非ニュートン流体の中でも独特のものとなっています 65。マクスウェル流体は、ポリマー溶液、ゼリー、コロイド懸濁液などの粘弾性材料のモデリングによく使用されます。これらの流体の挙動は、スコットランドの科学者 James Clerk Maxwell によって特徴付けられました66。 PTCS における粘弾性冷却剤マクスウェル流体とカーボンナノチューブで作られたハイブリッドナノ粒子の有効性が研究されました 67。研究者らは、透過性伸縮シート上のマクスウェルナノ流体の二次元流れの熱特性を有限要素法を使用して解析しました 68, 69。この研究の目的は、これらの物質の挙動とその潜在的な用途についての理解を深めることでした。

カッタネオ・クリストフ熱流束は、材料が熱平衡に達するまでに時間がかかるという事実を考慮した、熱伝導のフーリエの法則を修正したものです。 1948 年に、カッタネオは緩和期間を考慮した熱伝達の修正方程式を開発しました 70。 1977 年に、Christov は、粘度の影響を考慮した追加の要素を導入することにより、この方程式をさらに強化しました。太陽エネルギーの研究におけるカッタネオ・クリストフ熱流束の使用は、1990 年代に始まった最近の開発です。それ以来、この熱流束を太陽モデルに統合することで、太陽の内部構造とダイナミクスの理解が大幅に進歩しました。太陽物理学の分野では、カッタネオ・クリストフの熱流束が長年の問題の解決に重要な役割を果たしてきました。これを太陽モデルに組み込むことにより、科学者は経験的観測の精度が向上することを観察しています。これにより、太陽の内部構造と動的特性の理解が深まり、太陽のモデリングの精度が向上しました71。参考文献 72、73 で言及されている研究は、Cattaneo-Christov 熱流束に関するさらなる情報を提供します。

太陽エネルギーの利用は、発展途上国にとって、また環境に優しい電源にとって重要です。太陽光発電の船舶やボートには、手頃な価格、騒音低減、継続充電、個人用デバイスの充電機能など、数多くの利点があります。さらに、環境への影響が最小限に抑えられ、信頼性が高くなります。さまざまな研究で行われた研究により、太陽熱システムにおける非ニュートン因子と熱因子の徹底的な分析を行うことの重要性が強調されています。さらに、PTSC にハイブリッドナノ流体を組み込むことは、システムの動作効率を高めるために重要です。本研究の独創性は、解析にカッタネオ・クリストフモデルを使用して、無限の熱流束にさらされる水平面上の粘性マクスウェルハイブリッドナノ流体の流れ特性を調査することにある。主な目的は、PTSC の熱効率を高めることです。これを達成するために、2 種類のマクスウェルナノ流体が利用されます。単層カーボンナノチューブ - マクスウェルナノ流体と、多層カーボンナノチューブ/エンジンオイル (MWCNT-SWCNT/EO) です。この研究の特徴は、太陽エネルギーで動く船やボートに焦点を当て、エントロピー生成に対する無次元数の影響を調査していることにあります。この研究は、太陽熱システムにおける非ニュートン因子と熱因子の包括的な分析を実施し、PTSC におけるハイブリッドナノ流体の具体的な応用を調査することにより、太陽光発電海上輸送における PTSC の運用効率の理解と進歩に貢献します。。図 2 は、PTSC をグラフで表したものです。

流れの幾何学図。

図 2 を作成する主な目的は、現在の理論モデルを開発する一連のプロセスを示すことです。この図は、太陽エネルギーがどのように PTSC に到達し、熱放射を伴って流体中を移動し、その結果、熱伝導率によって PTSC に最大のエネルギーが蓄積されるかを概説しています。蓄えられたエネルギーは熱の形であり、その後バッテリー内の太陽電池によって電気エネルギーに変換されます。この電気エネルギーは、太陽光発電船内でさまざまな目的に使用されます。

PTSC の円筒面は太陽から太陽エネルギーを受け取り、熱エネルギーに変換されます。 PTSC を流れる流体中にナノ粒子が存在すると、この熱エネルギーが強化されます。現在の理論実験の主な目的は、熱放射や伝導率などの物理現象を組み込むことによって PTSC の蓄熱能力を高めることです。

PTSC の表面は熱の形で大量の太陽エネルギーを受け取り、これを電気エネルギーに変換してナビゲーションシステムや照明システムに電力を供給できます。これは、宇宙船の燃料エリアボックスに設置された太陽電池バッテリーを使用して実現され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できます。日中、バッテリーは生成されたエネルギーを蓄え、夜間に宇宙船に電力を供給するために使用されます。

バッテリーに蓄えられるエネルギーは、航空電子機器、航行灯、軍事通信などのさまざまな機能に電力を供給する能力を決定する重要な要素です。バッテリーのエネルギー貯蔵容量は、これらの機能を効果的に動作させる能力に直接影響します。したがって、特定の用途向けにバッテリーを選択する際には、バッテリーのエネルギー貯蔵容量を考慮することが重要です。

このシステムにおける流体の流れを記述する数学的モデルは、流体中を水平に移動する平板などの固体表面上の不均一な伸縮速度を実証します。これを表す方程式は \({U}_{w}\)(x, 0) = \(bx\) です。パラメータ \(b\) は初期の拡大率を示します。断熱表面の温度は \({\Theta }_{w}\)(\(x\), t) = \({\Theta }_{\infty }+{b}^{*} で表されます。 x\) であり、\(x\) = 0 で一定のままであると仮定されます。熱変化率は \({b}^{*}x\) で示されますが、\({\Theta }_{w} \) は壁の温度を表し、\({\Theta }_{\infty }\) は周囲の温度を表します。プレートの表面は温度変化を受けると滑りやすくなります。図 3 は、フローの概略図を示しています。

\({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\)、\(\theta \left(\xi \right)\) に対する \(M\) の効果。

数学的定式化は、以下に示す仮定に基づいて開発されました。

非ニュートンマクスウェルナノ流体、カッタネオ - クリストフ熱流束。

多層および単層カーボンナノチューブ (MWCNT および SWCNT)。

流れには粘性散逸特性、多孔質媒体、および発熱があります。

滑りやすい境界制約、エントロピー生成、安定した流れ条件。

太陽熱放射、磁場。

境界層近似、エンジンオイル (EG) を BF として使用。

前述の仮定を考慮すると、放射熱流束を伴う非ニュートンマクスウェルモデルを支配する方程式は次のように表すことができます 12:

境界条件付き74:

表 1 は、ナノ流体の熱物理的特性と現在の研究で使用されている記号に関する情報を示しています。対流によって表面が加熱される場合、ニュートン加熱とも呼ばれる、伝導によって失われる熱量を考慮することが重要です。滑り状態の影響を受ける可能性がある、表面近くの流体の挙動を理解することも重要です。これは、流体が固体境界に接触したときにどのように動作するかを指し、流体が表面付近で移動する速度に影響を与える可能性があります。滑りの程度は、境界で流体が受けるせん断応力の量に直接関係します75、76。この理解は、対流を介した熱伝達を正確に分析するために重要です。

HNF はベース流体と 2 要素のナノ粒子で構成されています。これらは通常の流体の熱伝達能力を強化するために利用され、NF と比較してより大きな熱指数を持ちます。 Maxwell HNF の熱力学物理変数を以下に示します。

NF:

HNF:

表 1 は、SWCNT、MWCNT ナノ粒子、およびエンジンオイルベース流体の熱物理係数を示しています。最近、ナノ材料が熱交換器の性能をどのように改善できるかを探る研究が行われています79。科学者らは、さまざまなタイプのナノマテリアルの中で、SWCNT と MWCNT が熱交換器の熱伝達効率を高めるのに有望であると特定しました。これらのナノマテリアルをエンジンオイルのベース流体に添加すると、流体の熱伝達率と熱伝導率が大幅に向上し、熱交換器の効率が向上します。この方法は、より効率的で軽量かつコンパクトな熱交換器の作成につながる可能性があり、太陽光発電の船舶など、エンジンオイルの使用を必要とするさまざまな工学用途に有益となるでしょう。

RA は、エネルギーが表面から周囲の流体にどのように伝達されるかを予測するために使用される数学のツールです。 Rosseland 近似法は、表面と流体の間にわずかな温度差がある場合に適していると考えられます。これは、温度差がわずかな場合、Rosseland 近似により、表面と流体の間で交換されるエネルギー量を正確に予測できることを意味します。エネルギー伝達の正確な予測は、天気予報、宇宙科学、材料研究などのさまざまな科学および工学分野で非常に重要です80。したがって、その重要性を理解することが重要になります。さらに、エネルギーの式は高度に非線形であり、温度 (\(\Theta\)) を説明するのは計算上困難です。ただし、ストリーム内の温度差が最小限であれば、大幅な簡素化を達成できます。これは、ストリーム内の熱変動がわずかであれば、計算プロセスが容易になることを意味します。特定の状況下では、変数 \({\Theta }_{\infty }\) を \({\Theta }^{3}\) に置き換えることで、Rosseland 近似式を簡略化し、温度 \( ({{\シータ }_{\infty })}^{3}\)。放射線の影響を考慮するために、Rosseland によって提供された式が式 (3) で使用されます。これは次の式で表されます81。

吸収係数は k* で表され、ステファンボルツマン定数は σ* で表されます。

方程式として知られる境界値問題 (BVP) を解くために使用される方程式。 (1) ～ (3) は、類似度変換を使用して、より単純な無次元形式に変換されます。この変換手法は、PDE を ODE に変換します。これにより、次の形式のストリーミング関数と類似量の表現が得られます。

式を置き換えると、 (6) を方程式の系に代入します。 (1) ～ (3) を実行すると、次の結果が得られます。

と

どこ

式（１）も同様に満たされる。上の式に示されているように、' という表記は (\(\xi\)) への微分を表します。ナノ流体の熱物理的特性と、研究で使用された記号の概要を、以下の表 2 に示します。

工学の一部の分野では、抗力 (\({C}_{f})\) とヌッセルト数 (\({\mathrm{Nu}}_{x})\) という 2 つの重要なパラメーターに依存しています。抗力の測定値は、固体物体が流体中を移動するときに受ける抵抗の大きさ。これは、航空宇宙や流体力学などの分野で重要です 82, 83。一方、ヌッセルト数は、液体と固体表面の間での熱の伝達速度を予測します。熱交換器の設計。どちらのパラメータにも単位がなく、エンジニアリング設計の効率を向上させるために使用されます。 \({C}_{f}\) と \({\mathrm{Nu}}_{x}\) は次のように記述できます84:

前述の方程式に無次元変換を適用すると、次が得られます。

ここで、\({\mathrm{Re}}_{x}\)=\(\frac{{U}_{w}x}{{v}_{f}}\) となります。

熱力学の分野では、エントロピー生成の原理は、利用可能なエネルギーが少なくなるにつれてシステムの仕事を実行する能力が徐々に低下することを説明しています85。この原理は、太陽光を利用可能な形態のエネルギーに変換する際に生じる非効率を測定する手段となるため、太陽放射にとって特に重要です。エネルギー損失は、エネルギー変換に使用されるソーラーパネルやその他のコンポーネントの効率不足によって発生します。太陽エネルギー変換効率を最大化するには、エントロピーとして失われるエネルギー量を最小限に抑えることが重要です。これは、エネルギー損失を削減し、太陽放射から得られる利用可能なエネルギーの量を増やす先進的な材料と設計技術によって実現できます。熱力学の第 2 法則は、ナノ流体の流れのプロセス中に発生する不可逆性またはエントロピー生成の量を概算する手段を提供します。これは数学的に次のように表現できます。

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

関数 \(f\left(\xi \right)\)、\(および \theta \left(\xi \right)\) に対して提案された解決策は次のとおりです76。

ここで、 \({A}_{j}\left(\frac{2\xi }{L}-1\right)\) は、区間 [1;1] から [ で定義されるシフトされたルジャンドル関数の基底関数です。 0; L]。定数 \({a}_{j}\) と \({b}_{j}\) の値を解くには、式 (13) を使用して BC に代入する必要があります。

式 (13) を式 (7–8) に挿入すると、\({R}_{f}\left(\xi \right)\) と \({R}_{f}\ の 3 つの残差が得られます。 left(\xi \right)\), コロケーション法が利用されており、その説明は次のようになります。

と

シフトされたガウスロバット点は \({\xi }_{j}\) として表されます。代数方程式の系 (7–8) には 2N + 2 の方程式が含まれており、係数は不明 \({a}_{j}\) および \({b}_{j}\) です。これらの係数は、MATHEMATICA ソフトウェアを使用して計算されました。表 3 は、近似収束のさまざまな程度を示しています。それにもかかわらず、LBCS は近似解の迅速な収束をもたらします。現在の研究で使用された数値解の妥当性は、結果を以前の研究で得られた結果と比較することによって実証されます。表 4 はこの比較を示しており、両方の研究の数値結果の間に強い相関があることが示されています。

研究のこのセクションでは、流体速度の変化を示すグラフが表示されます \(({\mathrm{f}}^{\prime}({\upxi })),\;{\text{and}}\;{\text {熱}}\;{\text{プロファイル}}\;({{\theta (\xi )}})\;{\text{エントロピー}}\;{\text{生産}}\;{\text {(Ng)}}\) は、MWCNT-SWCNT/EO ハイブリッドナノ流体 (HNF) および MWCNT -SWCNT ナノ流体 (NF) の場合です。図 3a、4a、5a、8a、9a は \(\mathrm{f}{{^{\prime}}}(\upxi )\) の変化を示しています。図3b、4b、5b、6a、b、7a、b、8b、9bは、\(\uptheta (\upxi )\) の変化を示しています。さらに、図２、３、５、６、７、８ 4c、10a、b は \((\mathrm{Ng})\) の変化を示しています。さらに、この研究ではヌッセルト数の数値結果も示しています。結果を形状表（表５）に示す。

\({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\)、\(\theta \left(\xi \right) に対する \({\Lambda }_{M}\) の効果)\) と \({N}_{G}\)。

\(\varphi {,\varphi }_{h}\) が \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\) および \(\theta \left( \xi \右)\)。

\(\theta \left(\xi \right)\) に対する \({R}_{M}\) の効果と Ng。

Ec と \({Q}_{M}\) を \(\theta \left(\xi \right)\) に影響します。

\({\varpi }_{M}\) と \({\delta }_{N}\) \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\) に影響を与えます。そして \(\theta \left(\xi \right)\)。

\(f{^{\prime}}(\xi )、および \theta (\xi )\) に対する \({K}_{M}\) の影響。

\({B}_{M},\) と Re の Ng への影響。

熱伝達率を完全に理解するには、ヌッセルト数を理解することが重要です。これは、熱転写プロセスの結果を決定する上で重要な役割を果たす重要な要素の 1 つです。表 5 のヌッセルト数は、MWCNT-SWCNT/EO ハイブリッドナノ流体 (HNF) の組み合わせを使用すると、MWCNT-SWCNT ナノ流体 (NF) と比較して熱伝達率が高くなるという証拠として役立ちます。これは、HNF の組み合わせによってより大きな熱伝達率が得られるという期待を裏付けています。表 5 はパーセンテージの内訳を示しており、Ec 値の増加が顕著な増加をもたらしたことがわかります。観察された最小パーセンテージは 1.96% で、最大パーセンテージは 2.13% でした。表は \({R}_{M}\) の増加を示しています。最小点と最大点の間のパーセンテージの差は、それぞれ 1.99% と 2.25% です。さらに、この研究では、\({\delta }_{M}\) の値が増加するにつれて、相対的な HNF と NF の最小値と最大値が 2.02 ～ 2.07% の間で発生することが実証されました。 \(\mathrm{M}\) の値が増加するにつれて、観察される値の範囲は 2.02 ～ 2.07% の間となり、最小値は 2.2%、最大値は 2.7% になります。 \({B}_{i}\) の値が増加するにつれて、HNF と NF の熱伝達率は最低 2.2 ～ 2.6% 増加します。これは、すべての物理パラメータが熱伝達率にプラスに寄与することを意味します。

速度プロファイルに対する M の影響を図 10 に示します。磁場の強度が強くなると、流体内に存在する荷電粒子により大きな力が加わり、抵抗が上昇します。この抵抗の増加により、流体の速度がさらに低下します。境界層の流れは、表面に隣接する流体の薄い層に関係し、不安定になり、滑らかで整然とした流れから、乱れた乱流に変化する可能性があります。このような変化は、流体中を移動する物体が受ける抗力の上昇を引き起こし、最終的には効率の低下につながる可能性があります。ベース流体中のハイブリッドナノ粒子の存在に基づいて、ハイブリッドナノ流体は、同じ時点で通常のナノ流体と比較してある程度の低下を示しているように見えます。通常の NF により、磁場が流体に影響を与えることがより困難になるため、このわずかなパフォーマンスの向上が説明される可能性があります。図 3b は、流体の流れの動きが遅くなることで他の領域への熱伝達が減少し、システムの温度が上昇する現象を示しています。熱伝達係数の値が正の場合、熱が表面から流体に移動していることを示します。これは、流体が熱エネルギーを吸収している間、表面が熱エネルギーを放出していることを意味します。このメカニズムを理解することは、電子機器やエンジンの冷却システムを含む多くのエンジニアリング用途にとって重要であり、システムの効率を向上させるのに役立ちます。

デボラ数は、流体の弾性と粘度が相互にどのように関係するかを定義する数学的概念です。これは、流体がさまざまな種類の圧力や力にどのように反応するかを決定する上で重要な役割を果たします。図4aから、流体の速度プロファイルが \({\Lambda }_{M}\) だけ減少することが観察されました。一方、デボラ数が低い場合、流体はより弾性になり、その速度プロファイルは放物線状になります。これは、粘性力よりも弾性力の方が支配的であり、流体が固体のように動作するために発生します。一方、最低速度は壁の近くで発生し、湾曲した放物線状になります。 \({\Lambda }_{M}\) が増加すると、流体の流動能力が変化します。 \({\Lambda }_{M}\) が増加するほど、流体の粘性は高くなり、弾性は低くなります。また、流体は通常の液体のように動作し、粘性力が弾性力よりも支配的になります。図4aで観察されるように、マクスウェルハイブリッドナノ流体の流速は減少パターンを示しています。図 4b は、温度プロファイルに対する \({\Lambda }_{M}\) の影響を示しています。デボラ数が低い場合、流体はニュートン挙動を示し、粘性力の影響が弾性力よりも支配的になります。 \({\Lambda }_{M}\) が上昇すると、粘性力よりも弾性力の影響が大きくなり、流体内に温度変化が生じます。この現象は、弾性力が流体に変形と緩和パターンを引き起こすために発生します。ハイブリッドナノ流体と比較して、温度分布が大幅に改善されます。図 4c から、デボラ数が増加するにつれて、エントロピー生成も増加します。この現象は、デボラ数が高いほど、せん断速度が大きくなり、緩和時間が長くなり、より重大な量の不可逆エネルギー損失を引き起こすという事実に起因すると考えられます。

流体がどのように流れ、熱を分配するかなどの流体の挙動は、流体中のナノ粒子の存在によって大きく影響されます（図5a、bを参照）。これらのナノ粒子によって生じる摩擦は、流体の物理的特性を決定する上で重要な役割を果たします。さらに、ナノ粒子のサイズは、\({\phi }_{a}\)=\({\left(1-{(\phi }_{) で表される 5 つの特定の量を持つ重要な要素です。 1}{+\phi }_{2})\right)}^{2.5} , {\phi }_{b}\)=\(\left(1-{(\phi }_{1}{+ \phi }_{2})\right)+{\phi }_{1}{\rho }_{{s}_{1}}/{{\rho }_{f}+\phi }_{ 2}{\rho }_{{s}_{2}}/{\rho }_{f}\),\({\phi }_{c}=\left(1-{(\phi }_ {1}{+\phi }_{2})\right)+{\phi }_{1}{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{\mathrm{s}1 }/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}\)+\({\phi }_{2}{\left(\rho {C}_{p}\ right)}_{s2}/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}, {\phi }_{d}\)=\(\left(\frac{( {k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}-{2\phi }_{2}\left({k}_{nf}-{k}_{\mathrm{ s}2}\right)}{({k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}+{\phi }_{2}\left({k}_{nf} -{k}_{\mathrm{s}2}\right)}\right)\time \left(\frac{{k}_{\mathrm{s}1}+2{k}_{f}- 2{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}{({k}_{\mathrm{s}1} +2{k}_{f}+{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}\right)\) 、Tiwari-Das ナノスケールモデルに基づくただし、太陽放射の存在下での境界層 (BL) での流れの挙動は、流体中のナノ粒子の存在によって変化する可能性があります。ソーラーパネルなどの表面に直接接触する流体の BL は境界層として知られており、太陽放射からの熱伝達の影響を受けます。流体中のナノ粒子の割合を変更すると、境界層の流れの速度プロファイルが変化する可能性があります。ナノ粒子の体積分率パラメータが増加すると、ソーラーパネルの表面付近の流体の流れがより均一になり、乱流が少なくなります。これにより、ソーラーパネルの表面での流体の速度が低下します。したがって、ナノ粒子濃度が増加すると、流体速度が低下します（図5aを参照）。システム内の流体と粒子の動きは、2 つの重要な要素によって大きく影響されます。最初の要素はナノ粒子の体積分率パラメータであり、流体粒子システムの流れ挙動に大きな影響を与えます。 2 番目の要素はシステムの温度プロファイルで、流体と粒子間の温度分布を表します。これら 2 つの要素は、流体粒子システムの動作を理解する上で重要です。流体粒子系におけるナノ粒子の濃度は、温度分布に大きな影響を与えます。ナノ粒子の濃度が増加すると、流体と粒子の熱特性の違いにより、温度分布がより多様になります。ナノ粒子の濃度が高いほど、流体と粒子間の熱伝達がより効果的になるため、温度分布がより均一になります。これは、ナノ粒子の濃度が流体粒子系の温度分布を制御する重要な要素であることを示唆しています（図5bを参照）。

放射熱流束パラメータは、太陽放射がシステムの温度分布にどのような影響を与えるかを判断する上で不可欠です。この放射熱流束パラメータは、放射による熱エネルギーの伝達に関与し、表面が吸収または反射するエネルギーの量を決定します。システムの温度プロファイルに直接影響するため、その値は重要です。熱分布に対する \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) の影響を図 6a に示します。図6aで観察されるように、ハイブリッドナノ流体の放射熱流束の熱分布は増加パターンを示します。ただし、より多くの太陽放射が表面に吸収されると、追加のエネルギーを受け取るため、表面の温度が上昇します。物理的に、この現象の背後にある理由は、太陽放射とも呼ばれる太陽のエネルギーがエネルギーを提供することによって表面温度を上昇させることです。また、この温度上昇は、放射熱流束パラメータを強化することでさらに増幅され、表面がより多くの太陽エネルギーを吸収できるようになります。この影響を引き起こす主な要因は、太陽からの余分なエネルギーの入力であり、それが気温の上昇につながります。この現象の影響は、太陽エネルギー、工学、材料科学などのさまざまな分野で注目に値します。エントロピー生成に対する \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) の影響を図 6b に示します。放射熱流束パラメータは、特に太陽放射にさらされるシステムにおいて、エントロピーの生成に大きな影響を与えます。ただし、これは、これらのシステムでのエントロピー生成を正確にモデル化し、予測するには、放射熱流束パラメーターの影響を理解することが重要であることを意味します。エントロピー生成率は、各プロセスにおける不可逆性の程度を測定するために使用できます。 \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) が増加すると、エントロピーの生成率が増加します。物理的には、放射熱流束の増加によりシステムとその周囲との間の温度差が大きくなり、熱伝達が増加し、エントロピー生成が増加するためにこれが発生します。環境的に持続可能で効率的なエネルギー技術を生み出すには、基礎となる物理メカニズムとエントロピー生成の最小化を理解する必要があります。これは新しい技術の開発につながる可能性があります。

エッカート数 (Ec) は、流体の流れにおける運動エネルギーと熱エネルギーの比率についての洞察を提供します。具体的には、運動エネルギー密度と熱エネルギー密度の比を示し、流れに存在するこれら 2 種類のエネルギーのバランスを理解するのに役立ちます。流体の温度に対するエッケルト数の影響を理解するには、流れ内に存在する運動エネルギーと熱エネルギーの間の平衡を分析することが不可欠です。熱分布に対する Ec の影響を図 7a に示します。高いエッカート数は、熱エネルギーよりも運動エネルギーが優勢であることを示し、その結果、流れが運動エネルギーによって制御されることになります。エッカート数が低い場合、流体内の熱エネルギーがその運動エネルギーよりもはるかに大きいことを示します。これは、流体の流れが主にその熱エネルギーの影響を受けることを意味します。その結果、流れ全体に顕著な温度差が生じ、温度プロファイルにばらつきが生じる可能性があります。この動作の背後にある理由は、太陽放射が流体をどのように温めるかを調べることで理解できます。太陽放射が吸収されると、流体が加熱されて膨張し、その結果、流体の運動エネルギーが増加します。このエネルギーは、流体が粘性力によって流れの中を移動するときに散逸され、最終的には熱エネルギーに変換されます。エッケルト数は、流れの運動エネルギーと熱エネルギーのバランスを制御することにより、この変換がどのくらいの速さで起こるかを決定する上で重要な役割を果たします。図 7b は、\({Q}_{M}\) が増加すると、消費される速度よりも速い速度で生成され、流体の温度が上昇することを示しています。これにより、流体の流れ内に大きな温度差が生じます。この現象は、太陽放射が流体とどのように相互作用するかによって引き起こされます。流体は太陽放射を吸収し、その温度が上昇して熱エネルギーを生成します。図７ｂで観察されるように、ハイブリッドナノ流体の放射熱流束の熱分布は、通常のナノ流体の増加パターンを示す。物理的には、熱の発生率が高すぎると、熱エネルギーが流体から放出されるよりも速く蓄積する可能性があり、流体がより熱くなります。これにより、流体の流れ内の温度差が大きくなります。

滑り速度 \(\left({\varpi }_{M}\right)\) の影響により、速度プロファイルが増加します (図 8a を参照)。ハイブリッドナノ流体の速度流体温度はナノ流体よりも高いことが示された。速度滑りは、流体中のナノ粒子の存在によって引き起こされる、ナノ流体における固体表面と流体の間の速度の差を説明するために使用される用語です。この現象はナノ流体の挙動と特性に顕著な影響を与えるため、これらの流体の用途を扱う際には考慮する必要があります。ナノ流体の速度プロファイルは、ナノ粒子 (CNT) とベース流体 (エンジンオイル) の固有の特性に依存する \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) の影響を受けます。 MWCNT-SWCNT がエンジンオイルに添加されると、滑りパラメータにより固体表面付近の速度が低下します。物理的には、この現象は CNT の表面が疎水性であり、固相と液相が接触する箇所で滑りやすい効果を引き起こすという事実によって説明できます。滑りパラメータが増加すると、表面近くの流体の流れがより均一になり、これは速度の変化率が弱くなることを意味します。速度の滑りパラメーターは、ハイブリッドナノ流体の流体速度に顕著な影響を及ぼし、固体表面近くの速度勾配の減少につながります。この現象はカーボンナノチューブの疎水性により起こり、液体と固体の界面に滑り状態を引き起こします。簡単に言うと、速度の滑りパラメーターは、カーボンナノチューブを含むナノ流体の疎水性により固体表面の周りを流体が流れる方法に影響を与えます。緩和時間パラメータ \({\delta }_{M}\) の物理的挙動を図 8b にグラフで示します。緩和時間パラメーターは、流体がその熱エネルギーを拡散するのに必要な時間を示します。このパラメータは、流体の熱伝導率と浮遊粒子の特性の影響を受けます。流体の熱伝導率が高い場合、通常、\({\delta }_{M}\) は低くなる傾向があります。簡単に言うと、このパラメータは流体が熱エネルギーを放出する速度を表します。これは流体の熱伝導能力と粒子のサイズと形状によって決まります。したがって、より効率的に熱を伝導できる流体は、緩和時間が短くなります。 MWCNT-SWCNT/エンジンオイルの両方を含むハイブリッドナノ流体の使用により、SWCNT-エンジンオイルと比較して優れた熱伝導能力を示します。

多孔質媒体パラメータ \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) ハイブリッドナノ流体の流れは、流体が多孔質材料にどれだけスムーズに入るかを示します。モノラルの流体速度分布はハイブリッドナノ流体よりも低くなります。さらに、ダーシーの法則は、流体の動きが多孔質材料によってどのような影響を受けるか、特にその速度がどのような影響を受けるかを説明します。法則は基本的に、多孔質媒体を通る流体の流れは、圧力勾配、媒体の浸透性、および流体の粘度によって決定されると述べています。図 9a から、流体が媒体中を移動するときに速度の低下につながる抵抗を受けることが観察されました。しかし。 CNT の表面積には、熱伝達のプロセスと流体の熱伝導率を高める機能があります。これらのナノチューブがエンジンオイルと混合されると、NF として知られる新しいカテゴリーの液体が生成されます。これらの NF は、さまざまな種類のエンジニアリングプロジェクトで効果的に使用される可能性があります。 \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) の効果を図 9a に示します。 \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) が温度プロファイルを高めることが観察されました。物理的には、太陽光が多孔質材料に入ると、太陽光は材料に吸収され、材料の温度が上昇します。この現象の重要性は、多孔質材料が燃料電池やバッテリーなどのエネルギー貯蔵システムの温度を管理するための効果的なツールとして機能する太陽光発電船の文脈で強調されます。これらのシステム内で最適な温度を維持することにより、システムの性能と寿命を向上させることが可能になり、結果として船舶のより信頼性の高い環境に優しい運航が実現します。

ブリンクマン数は、流体力学の分野で、流体内の慣性力と比較した粘性力の重要性を判断するために使用される無次元の値です。これは、流体の粘度が質量や動きに対する挙動にどの程度影響を与えるかを理解するのに役立ちます。図 10a から、 \({\mathrm{B}}_{\mathrm{M}}\) が増加すると、それに対応してエントロピー生成率も増加します。物理的には、船舶への太陽光発電技術の導入は、非再生可能エネルギー源への依存を低減し、海運業界の環境への悪影響を最小限に抑える可能性があります。太陽エネルギーの効率は、太陽光の利用しやすさや太陽電池の容量など、多くの要因に依存します。図１０ａから、Ｒｅが増加するにつれて、境界層におけるより大きなハイブリッドナノ流体の存在によりエントロピー生成速度が増加し、より多くのエネルギーが熱の形で放散されることになる。物理的には、システムの境界層内のレイノルズ数を制御することによって、ソーラーパネルの効率の最適化と太陽光発電船のエントロピーの生成を実現できます。

結論として、この計算機研究は、MWCNT-SWCNT/EO ハイブリッドナノ流体 (HNF) および MWCNT-SWCNT ナノ流体 (NF) と Cattaneo-Christov 熱流束モデルを使用して、太陽光発電船の熱伝達性能を向上させる可能性を実証しました。この研究の結果は、熱伝達率の大幅な向上を達成するこの新しいアプローチの有望な見通しを強調しています。再生可能で持続可能なエネルギー源への需要が高まる中、このアプローチは、太陽光発電の船舶が直面する課題を克服する実用的かつ効率的なソリューションを提供します。 CNT ハイブリッドナノ流体と Cattaneo-Christov 熱流束モデルの実装は、より効率的で持続可能なエネルギーシステムの開発に貢献すると期待されています。全体として、この研究は、太陽光発電船の性能を向上させるための CNT ハイブリッドナノ流体とカッタネオ・クリストフ熱流束モデルの使用に関する将来の研究のための強力な基盤を提供します。

結果は、HNF が NF と比較して熱放射の強化が優れていることを示しています。

\({R}_{M}\)、\({K}_{M}\)、\({\delta }_{M},\) の値を増加させると、速度場が次のように変化することが観察されました。減少します。

パラメータ \({\varpi }_{M}\) は流体速度に悪影響を及ぼし、\({\varpi }_{M}\) が増加すると流体速度が減少します。

ナノマテリアルが \({R}_{M}\)、Ec、\({Q}_{M}\) とともに存在するため、熱境界層の厚さは時間の経過とともに徐々に増加し、その結果、熱境界層の厚さが減少します。熱交換率。

エントロピーの生成は、 \({R}_{M},\) \({B}_{M},\) Re や \({\Lambda }_{M}\ など) のさまざまなパラメーターの影響を受けます。）。

HNF の熱効率は NF よりも優れており、相対的に 1.78 ～ 2.25% 向上します。

\({\delta }_{M}\) \({\Lambda }_{N}\) \({K}_{M}\)、\(\varphi ,{\varphi }_) の値の増加{h}\) 温度分布を促進します。

この調査の結果に基づいて、コンピューターモデリングを通じて得られた結果を検証し、太陽光発電船の産業用途におけるCNTハイブリッドナノ流体とカッタネオ・クリストフ熱流束モデルの採用の実現可能性を評価するために、さらなる調査を実施することが提案されています。。これらの新しいアプローチは、より効率的で環境に優しいエネルギーシステムの開発に大きく貢献すると期待されています。今後の研究は、計算モデルの結果を検証するための実験実験の実施に集中する必要があると提案されています。この研究では、他の種類のナノ流体や熱流モデルを調査して、それらが太陽光発電船の熱伝達性能を向上させる能力があるかどうかを調べることもできます。一般に、この研究の結果は、この分野の将来の研究に強固な基盤を与えます。また、CNT ハイブリッドナノ流体と Cattaneo-Christov 熱流モデルを利用して太陽光発電船の運用を改善する有望な可能性も実証しています。

この原稿で使用されているすべてのデータは原稿内に示されています。データは隠蔽されたり制限されたりしません。

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アムサル・フェンタ

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概念化は AMO、MAM、OAO によって行われました。方法論は AMO、MAM、OAO によっても処理されました。ソフトウェアによる作業は、AMO、OAO、および JO によって実行されました。検証は JO と AF によって行われました。執筆オリジナル草案と改訂草案の作成は AMO、OAO、MAM によって行われました。 JOとAFが原稿を監修しました。

アムサル・フェンタへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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オバラル、AM、メモン、マサチューセッツ州、オラエミ、OA 他。太陽光発電船の熱伝達の強化: カーボンナノチューブを含むハイブリッドナノ流体と、電磁制御を備えたパラボラトラフソーラーコレクターへの応用に関する研究。 Sci Rep 13、9476 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36716-x

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受信日: 2023 年 5 月 6 日

受理日: 2023 年 6 月 8 日

公開日: 2023 年 6 月 10 日

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