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Jun 12, 2023

Améliorer le transfert de chaleur dans le solaire

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9476 (2023) Citer cet article

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L'objectif de cette recherche est d'explorer l'utilisation de navires à énergie solaire (SPS) comme moyen de réduire les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux combustibles fossiles dans l'industrie maritime. L'étude se concentre sur l'amélioration de l'efficacité du transfert de chaleur dans les SPS en utilisant des nanofluides hybrides (HNF) contenant des nanotubes de carbone (NTC). De plus, une nouvelle approche utilisant l'énergie renouvelable et le contrôle électromagnétique est proposée pour améliorer les performances du SPS. La recherche met en œuvre le modèle de flux de chaleur non newtonien de type Maxwell et Cattaneo-Christov dans les capteurs solaires paraboliques utilisés pour les navires. L'étude mène des expériences théoriques et des simulations pour évaluer la conductivité thermique et la viscosité du HNF à base de NTC. Diverses propriétés, y compris le rayonnement thermique solaire, la dissipation visqueuse, la vitesse de glissement et les milieux poreux, sont évaluées pour déterminer l'efficacité du transport thermique dans le SPS. La recherche utilise des variables de similarité pour simplifier les équations différentielles partielles complexes en équations différentielles ordinaires et les résout en utilisant la méthode spectrale de collocation de Chebyshev. Les résultats indiquent que le nanofluide hybride MWCNT-SWCNT/EO améliore considérablement la conductivité thermique, améliorant ainsi le transfert de chaleur. Le HNF présente un taux d'efficacité d'environ 1,78 % avec un taux d'efficacité minimum de 2,26 %.

La demande énergétique mondiale continue d'augmenter, mais l'épuisement des combustibles fossiles et le coût croissant des sources d'énergie traditionnelles, telles que l'électricité, ont conduit les scientifiques à se concentrer sur les énergies renouvelables ces dernières années1. Produire de l'électricité à partir de sources durables est une façon écologique de produire de l'électricité puisqu'elle ne dégage aucun gaz à effet de serre. En revanche, la combustion de combustibles fossiles émet du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, contribuant au réchauffement climatique2. De plus, les écologistes croient fermement que l'utilisation de ressources durables peut avoir un impact significatif sur la diminution de la pollution par le carbone et le ralentissement du taux de réchauffement climatique3. Ces dernières années, l'énergie solaire est devenue une option largement discutée pour l'énergie durable en raison de son accessibilité, de l'absence d'émissions nocives et de son impact environnemental minimal, ce qui en fait un choix très attractif pour la production d'énergie4. L'énergie solaire a le potentiel le plus élevé d'utilisation à long terme, d'accessibilité et le moins d'impact négatif sur l'environnement parmi toutes les sources d'énergie. Avec une utilisation appropriée, cette source d'énergie a le potentiel de générer environ quatre fois la quantité d'énergie actuellement utilisée dans le monde5. Des études récentes ont montré que les émissions mondiales de CO2 devraient diminuer de 75 % d'ici 2050, par rapport aux niveaux enregistrés en 19856. Selon une étude réalisée par le département américain de l'énergie, la quantité d'énergie solaire qui atteint la surface de la terre en seulement 90 minutes est suffisante pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux pendant une année entière7. Dans un rapport des États-Unis, il a été découvert que l'énergie solaire peut servir de substitut naturel à d'autres formes d'énergie. De plus, les systèmes d'énergie solaire peuvent générer de l'énergie thermique qui peut être utilisée à des fins de chauffage et de refroidissement. Par conséquent, la principale préoccupation est maintenant de trouver le moyen le plus efficace d'exploiter l'énergie du soleil.

Deux méthodes importantes pour convertir la lumière du soleil en électricité sont actuellement largement utilisées et devraient vous être familières : les systèmes photovoltaïques (PV) et l'énergie solaire concentrée (CSE)8. Les systèmes PV ont de nombreuses applications, y compris (a) la production d'électricité pour les maisons et les entreprises9 (b) la fourniture d'énergie pour les engins spatiaux et les satellites10 (c) l'alimentation de divers types de véhicules tels que les voitures, les bus et les bateaux, et (d) le système d'alimentation électrique des zones éloignées (RAPS) qui se compose de générateurs, de lampadaires et d'appareils de communication sans fil qui fournissent de l'électricité aux zones situées loin des centres urbains. En bref, les systèmes photovoltaïques offrent un moyen écologique, abordable et nécessitant peu d'entretien de produire de l'électricité qui est durable et peut fonctionner indépendamment du réseau électrique. Un dispositif photovoltaïque est principalement constitué d'un matériau semi-conducteur qui conduit l'électricité à travers les électrons. Contrairement aux conducteurs, qui peuvent conduire un nombre illimité d'électrons, les semi-conducteurs possèdent des propriétés uniques qui leur permettent de réguler le flux d'électrons. Cette caractéristique fait des semi-conducteurs des composants précieux pour les dispositifs photovoltaïques. Pendant ce temps, CSP est une méthode de production d'électricité à partir des rayons du soleil en utilisant des surfaces réfléchissantes ou une technologie optique pour concentrer et focaliser la lumière du soleil sur une très petite zone. Cette lumière solaire concentrée est convertie en chaleur, qui peut être utilisée pour créer de la vapeur qui alimente une turbine et génère de l'électricité11. Les centrales CSP peuvent produire de grandes quantités d'électricité et sont particulièrement bénéfiques dans les zones à fort rayonnement solaire. De plus, ces usines peuvent être construites à grande échelle. Pour générer de l'électricité à partir de l'énergie solaire, on utilise la technologie de l'énergie solaire concentrée qui consiste à focaliser les rayons du soleil sur une petite surface à travers des réflecteurs ou des optiques. Ce processus crée de la chaleur qui peut ensuite être utilisée pour produire de l'électricité en la faisant passer dans un générateur électrique. Cependant, il est important de noter que toutes les technologies ne reposent pas sur des miroirs pour concentrer la lumière du soleil, car certaines utilisent des optiques ou d'autres systèmes. Il convient également de noter que la conversion de la lumière du soleil en chaleur se produit par un processus physique appelé absorption12. Selon ref13, les zones caractérisées par des climats secs et chauds comme la Californie et l'Arizona aux États-Unis sont propices au développement de centrales plus grandes qui utilisent l'énergie solaire concentrée. Cette forme d'énergie renouvelable est préférée aux alternatives non renouvelables telles que les combustibles fossiles en raison de son respect de l'environnement et de l'absence d'émissions de polluants nocifs. En conclusion, l'énergie solaire est une option propre et durable qui est préférée aux sources d'énergie traditionnelles.

Actuellement, l'utilisation du fioul lourd (HFO) et du diesel marin (MDO) pour le transport industriel est responsable d'environ 3 % des émissions mondiales totales de dioxyde de carbone14. Sur la base de la référence15, il a été signalé qu'environ 932 millions de tonnes métriques de polluants ont été rejetées dans l'air au cours de l'année 2015. Pour mettre cela en perspective, ce montant est supérieur à la pollution totale générée par l'Allemagne en 2017, qui était d'environ 905 millions de tonnes. Les polluants rejetés par ces navires contiennent de nombreux contaminants nocifs qui peuvent avoir un impact négatif sur la santé humaine, l'environnement et le climat. De plus, la référence 16 souligne que le rejet de gaz provenant de la combustion de fioul lourd comprend un mélange d'oxyde de soufre, de sous-produits de combustion, d'oxydes d'azote et de métaux lourds, ainsi que de dioxyde de carbone. Ces derniers temps, des chercheurs ont étudié la possibilité d'utiliser l'énergie solaire pour alimenter des navires commerciaux. L'objectif est de réduire le nombre de gaz à effet de serre produits par ces navires. L'utilisation de l'énergie solaire dans la propulsion des navires est considérée comme une option souhaitable par de nombreux pays car elle permet la création de navires respectueux de l'environnement. Au XIXe siècle, le scientifique français Augustin Mouchot a été le premier à proposer l'idée d'utiliser l'énergie solaire comme source de propulsion pour les navires17. Les premiers navires opérationnels à énergie solaire ont été construits dans les années 1970 et leur objectif principal était les activités récréatives. En 1990, la Suisse a été le lieu d'assemblage du Sun 21, qui était le premier transport commercial alimenté par l'énergie solaire. Ce bateau était un catamaran qui avait deux moteurs électriques, qui étaient alimentés par des panneaux solaires montés à la surface du bateau. Suite à ce développement révolutionnaire, de nombreux navires à énergie solaire ont été développés et utilisés dans diverses industries, telles que le transport de marchandises, ainsi que la recherche scientifique18. L'objectif principal derrière le développement des navires à énergie solaire est de réduire la dépendance aux combustibles fossiles et d'atténuer l'impact environnemental de la navigation. L'industrie du transport maritime est responsable d'une quantité importante d'émissions de gaz à effet de serre, et les navires à énergie solaire offrent une alternative plus propre et plus durable. En exploitant la puissance du soleil, ces navires peuvent réduire leur empreinte carbone et offrir un mode de transport plus respectueux de l'environnement. Selon la référence19, l'Organisation maritime internationale (OMI) s'est fixé pour objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre provenant des transports d'au moins 50 % d'ici 2050. Cet objectif fait partie des efforts de l'OMI pour lutter contre le changement climatique et promouvoir le développement durable dans l'industrie maritime. L'étude menée par Obalalu et al.20 porte sur l'évaluation de l'efficacité du transfert thermique dans un navire à énergie solaire qui utilise des nanofluides mono/hybrides pour les pompes à eau solaires. L'analyse prend en compte le rayonnement solaire comme principale source de chaleur et examine différents facteurs tels que le flux radiatif thermique, la dissipation visqueuse et la source de chaleur pour déterminer les performances du navire. Il a été conclu que la proportion relative du taux de transmission de chaleur est augmentée de 24 % dans le nanofluide hybride par rapport au nanofluide. Les travaux de recherche de Bellos et al.21 soulignent l'importance d'effectuer une analyse thermique et entropique complète dans les systèmes solaires thermiques. En outre, l'étude suggère l'utilisation de nanofluides pour améliorer les performances des collecteurs solaires paraboliques (PTSC). L'étude a conclu qu'il y a une augmentation significative du taux relatif de transmission de chaleur lorsque la perméabilité du milieu perméable passe de 1,6 à 14,9 %. Selon l'étude de Kirkpatrick22 sur les navires de combat de surface de la Navy, l'efficacité des systèmes photovoltaïques installés a été évaluée. Les résultats de l'étude ont révélé que le poids supplémentaire causé par l'installation de cellules solaires est insignifiant par rapport au poids des fournitures critiques, y compris le carburant et la nourriture, qui sont indispensables aux navires pendant les voyages. Une étude menée par23 a examiné la possibilité d'utiliser des panneaux solaires comme source d'énergie sur de petits bateaux de pêche qui opèrent dans des zones reculées. Les résultats indiquent que le placement de panneaux solaires sur le bateau peut entraîner une traînée supplémentaire, ce qui pourrait augmenter la consommation de carburant, en particulier dans des conditions venteuses. Hussein et al.24 ont mené des recherches qui indiquent la faisabilité d'utiliser des systèmes photovoltaïques comme moyen de générer de l'énergie renouvelable sur les navires, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles non renouvelables. Dans l'étude de Lan et al.25, les chercheurs ont introduit une méthodologie qui vise à identifier la proportion optimale d'intégration du système photovoltaïque pour les opérations de propulsion des navires. L'objectif de cette approche est de réduire les dépenses de financement, les coûts de carburant et les émissions des moteurs. De plus, ils ont mené d'autres investigations pour améliorer la caractéristique d'angle de pente des panneaux photovoltaïques installés sur un grand navire pétrolier. La figure 1 illustre un navire propulsé par l'énergie solaire.

Représente le navire à énergie solaire.

Ces dernières années, les nanofluides sont devenus de plus en plus populaires en tant que fluide de travail pour diverses applications de chauffage, y compris les capteurs solaires. Cela est dû à leur efficacité à améliorer le transfert de chaleur26. La collecte solaire parabolique (PTSC) est un type de dispositif d'énergie solaire qui exploite l'énergie du soleil en utilisant un miroir concave pour réfléchir et concentrer la lumière du soleil sur un tube contenant un liquide, qui à son tour absorbe la chaleur et la convertit en énergie utilisable. Il est courant d'utiliser un fluide caloporteur (HTF) pour remplir le tube récepteur27. Le but du HTF est de transférer l'énergie thermique à un échangeur de chaleur, où elle est utilisée pour créer de la vapeur pour produire de l'électricité. Plusieurs études de recherche ont montré que l'utilisation de nanofluides comme fluides caloporteurs dans les collecteurs solaires paraboliques peut augmenter l'efficacité globale du système. Cela est dû aux propriétés thermiques supérieures des nanofluides par rapport aux fluides traditionnels. Ces propriétés comprennent une conductivité thermique et une capacité thermique spécifiques plus élevées. De plus, la présence de nanoparticules dans les nanofluides entraîne une augmentation de la surface de transfert de chaleur, améliorant finalement l'efficacité du système28. L'amélioration des performances des capteurs solaires cylindro-paraboliques obtenue grâce à l'utilisation de nanofluides a des répercussions importantes sur le développement de sources d'énergie durables à l'avenir. En utilisant des fluides de travail plus efficaces, l'énergie produite par la lumière du soleil peut être augmentée. Cette approche peut conduire à une diminution de la dépendance à l'égard des combustibles naturels, ce qui peut à son tour contribuer à atténuer les impacts du changement climatique.

Les nanofluides (NF) sont connus pour leurs propriétés thermiques distinctives, qui peuvent améliorer considérablement l'efficacité du transfert de chaleur des systèmes d'énergie solaire (SPS)29. Nanofluide (NF) est un terme utilisé pour décrire un mélange fluide qui contient des nanoparticules (NP) de matériaux métalliques (or, dioxyde de titane, fer) ou non métalliques (polyéthylène glycol, oxyde de zinc, silice) en suspension dans un fluide de base (BF). Les nanofluides sont une option prometteuse pour les applications thermiques en raison de divers facteurs clés. Ces facteurs incluent la capacité de conduire efficacement la chaleur, d'augmenter la surface, d'améliorer la capacité thermique spécifique, d'assurer la stabilité et de réduire la viscosité30. La combinaison de ces caractéristiques fait des nanofluides un choix incontournable pour une utilisation dans de nombreuses industries. Les nanotubes de carbone (NTC), qui sont un type de nanoparticule composée principalement d'atomes de carbone. Les NTC ont une forme cylindrique et sont disponibles en différentes longueurs, allant de quelques nanomètres à plusieurs micromètres31. Les propriétés physiques, mécaniques et électriques uniques des NTC les rendent adaptés à une utilisation dans divers domaines, notamment la médecine, l'électronique et le stockage de l'énergie. (NTC) sont classés en différents types, tels que les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT), les nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) et les nanotubes de carbone à paroi multiple (MWCNT)32. Les SWCNT sont composés d'une structure cylindrique solitaire composée d'atomes de carbone. Inversement, les MWCNT et les DWCNT sont composés de plusieurs cylindres imbriqués d'atomes de carbone. Les caractéristiques structurelles et de composition des types individuels de nanotubes de carbone (NTC) confèrent des propriétés distinctes qui les rendent utiles dans un large éventail de domaines33. Salawu et al.34 ont mené une étude pour examiner la déformation élastique d'un mélange de magnéto-nanofluides contenant des SWCNT recouverts de nanoparticules d'argent et des MWCNT fonctionnalisés avec des nanoparticules de bisulfure de molybdène dans un cylindre poreux. Hachicha et al.35 ont mené une étude pour étudier l'efficacité de l'utilisation d'un type de nanofluide composé de MWCNT et d'eau pour améliorer le transfert de chaleur dans le PTSC dans différentes conditions saisonnières. Leurs simulations informatiques ont montré que l'utilisation de ce nanofluide entraînait une augmentation significative allant jusqu'à 21 points de pourcentage du nombre de Nusselt, qui est un paramètre clé utilisé pour mesurer le taux de transfert de chaleur. Les travaux récents de36 étudient la contrainte de couple électromagnétique de nanotubes de carbone mono et multiparois (SWCNTs, MWCNTs) sur un disque rotatif sous l'influence de réactions chimiques. Le mécanisme de transfert de chaleur dans le nanofluide ternaire entre les canaux de plaques parallèles à l'aide du modèle modifié de Hamilton-Crossers et des effets du rayonnement thermique a été étudié par37. L'étude numérique de l'amélioration thermique dans le nanolubrifiant ZnO-SAE50 sur une surface magnétisée sphérique influencée par le chauffage newtonien et le rayonnement thermique a été étudiée par38. L'analyse des performances de transfert de chaleur pour l'écoulement de nanofluide ternaire dans un canal rayonné sous différents paramètres physiques à l'aide de GFEM a été étudiée par39. L'inspection du transfert de chaleur dans [(ZnO-MWCNTs)/water-EG(50:50)]hnf avec des rayons de rayonnement thermique et des conditions convectives sur une surface de Riga a été étudiée par40. L'efficacité thermique dans les nanofluides hybrides (Al2O3–CuO/H2O) et hybrides ternaires (Al2O3–CuO–Cu/H2O) en considérant les nouveaux effets du champ magnétique imposé et des conditions de chaleur convective a été étudiée par41. La caractéristique thermique numérique dans le nanofluide gAl2O3 – C2H6O2 sous l'influence du rayonnement thermique et des conditions de chaleur convective en induisant de nouveaux effets du modèle de nombre de Prandtl effectif (EPNM) a été étudiée par42.

Un nanofluide hybride (HNF) est un fluide composite composé d'un fluide de base et de nanoparticules, qui est utilisé pour améliorer les caractéristiques de transfert de chaleur du fluide43. Le HNF a été identifié comme un moyen potentiel d'améliorer l'efficacité des capteurs solaires et des cellules solaires avec le rayonnement du soleil. Les capteurs solaires sont des appareils qui collectent l'énergie du soleil, la transforment en chaleur, puis la transfèrent à un liquide qui s'écoule à l'intérieur du capteur. Les nanofluides hybrides contiennent de minuscules particules qui peuvent améliorer l'efficacité du transfert de chaleur du fluide en augmentant sa conductivité thermique. Cette amélioration a le potentiel d'améliorer les performances globales du capteur solaire et de convertir le rayonnement solaire en énergie utile à un rythme plus rapide36. Les cellules solaires génèrent beaucoup de chaleur lorsqu'elles convertissent le rayonnement solaire en énergie électrique. Pour résoudre ce problème, les nanofluides hybrides peuvent être utilisés comme agent de refroidissement. En mélangeant des nanofluides, cela peut être facilement accompli.

L'utilisation de HNF dans les systèmes d'énergie solaire peut empêcher les cellules photovoltaïques de surchauffer, ce qui améliore leur efficacité et leur durée de vie. L'incorporation de nanofluides hybrides dans les systèmes d'énergie solaire peut augmenter l'efficacité du transfert de chaleur et améliorer la vitesse à laquelle le rayonnement solaire est converti en énergie utile. Bien que l'utilisation de nanofluides hybrides dans les systèmes d'énergie solaire présente des défis, les chercheurs s'efforcent actuellement de les surmonter. L'objectif est d'améliorer l'efficacité et la sécurité de ces nanofluides. Même s'il existe des obstacles, les nanofluides hybrides ont le potentiel de rendre les systèmes d'énergie solaire plus efficaces et meilleurs pour l'environnement. À cet égard, les travaux de Khan et al.44 ont mis l'accent sur les performances thermiques du cuivre-alumine visqueux radiatif avec de l'éthylène glycol/eau HNF à travers des cylindres poreux étirés. La modélisation mathématique du canal poreux vertical MHD oxyde de cuivre-oxyde de fer/sang HNF sous l'influence du rayonnement thermique a été étudiée par45. Leur résultat montre que le flux sanguin est plus important pour l'oxyde de cuivre NF que pour l'oxyde de cuivre-oxyde de fer HNF. L'évaluation numérique d'un nanofluide hybride sutterby sur une feuille d'étirement avec un facteur de forme de particule a été étudiée par 46. La génération d'entropie et les performances thermiques du flux de nanofluide hybride Williamson utilisé dans l'application des avions solaires comme liquide de refroidissement principal dans le collecteur solaire à cuve parabolique ont été étudiées par 47. Enquête thermique solaire-CVC utilisant (Cu-AA7075 / C6H9NaO7) un flux rotatif de nanofluide hybride piloté par MHD via une technique convergente de second ordre: une nouvelle étude d'ingénierie a été étudiée par48. La solution d'éléments finis de Galerkin pour l'impact radiatif électromagnétique sur l'écoulement visqueux de nanofluide biphasé de Williamson via une surface extensible a été étudiée par49. Analyse d'irréversibilité de l'écoulement magnétique en fonction du temps du nanofluide hybride de Sutterby : un modèle mathématique thermique a été étudié par50. Dynamique du nanofluide hybride radiatif de Williamson avec génération d'entropie : la signification dans les avions solaires a été étudiée par51. La dynamique des nanofluides hydromagnétiques absorbant la chaleur et radiatifs à travers une surface d'étirement avec réaction chimique et dissipation visqueuse a été étudiée par52. L'hybride thermiquement amélioré de nanofluide cuivre-dioxyde de zirconium / éthylène glycol circulant dans le capteur solaire d'une application de pompe à eau a été étudié par53. Réaction chimique et caractéristiques thermiques du capteur solaire à flux continu à nanofluide de Maxwell en tant qu'application potentielle de refroidissement de l'énergie solaire : un modèle de Buongiorno modifié a été étudié par54. La dynamique du graphène à base d'éthylène glycol et du nanofluide hybride de bisulfure de molybdène sur une surface extensible avec des conditions de glissement a été étudiée par55. Des explorations numériques et statistiques sur la dynamique de l'eau véhiculant un flux de nanofluide hybride Cu-Al2O3 sur une feuille étirable de manière exponentielle avec les conditions de glissement partiel et de saut thermique de Navier ont été étudiées par56. L'amélioration mécanique des avions solaires en utilisant un nanofluide monophasé hyperbolique tangent a été étudiée par 57. L'implication de l'énergie d'activation d'Arrhenius et de la viscosité dépendante de la température sur le flux bio-convectif de nanomatériau non newtonien avec glissement partiel a été étudiée par 58. Caractérisation de l'analyse thermique d'un navire à énergie solaire utilisant des nanofluides hybrides Oldroyd dans un collecteur solaire parabolique : une application thermique optimale a été étudiée par59.

La viscosité est un concept fondamental en mécanique des fluides qui fait référence à la résistance d'une substance au mouvement. Ce principe divise les fluides en deux catégories : les fluides newtoniens et non newtoniens (NNF). Les fluides newtoniens ont une viscosité fixe qui ne change pas avec la quantité de force ou de pression qui leur est appliquée. Des exemples de fluides newtoniens comprennent l'eau, l'air et diverses huiles60, 61. D'autre part, les fluides non newtoniens ont un type de comportement différent où leur viscosité change en fonction des conditions d'écoulement et de la quantité de pression ou de force exercée sur eux62. Ainsi, la viscosité des fluides non newtoniens varie en fonction des conditions d'écoulement auxquelles ils sont soumis. Le NNF est présent dans une gamme variée de systèmes naturels et artificiels, y compris les produits diététiques, les cosmétiques, les produits pharmaceutiques et les systèmes géologiques et biologiques. Certains exemples courants de NNF sont le ketchup, le dentifrice et le sang. L'une des variables les plus importantes pouvant affecter l'épaisseur du NNF est la quantité de rayonnement solaire à laquelle la substance est exposée. Le rayonnement solaire, en particulier sous la forme de rayons ultraviolets (UV), peut modifier à la fois la structure moléculaire et les propriétés physiques du NNF63. Ces changements peuvent affecter la viscosité et la fluidité du matériau. Les résultats de la recherche suggèrent que les fibres non naturelles, y compris les polymères et les protéines, peuvent subir des modifications de leur structure moléculaire lorsqu'elles sont exposées aux rayons UV. Les propriétés des NNF, telles que leur capacité à s'écouler et leur élasticité, peuvent être influencées par l'énergie lumineuse, qui peut modifier leur température. Lorsque le NNF est exposé aux rayons UV, il peut se décomposer, ce qui réduit son épaisseur et son efficacité. Dans les systèmes géologiques, la lumière du soleil peut chauffer le NNF, le rendant moins visqueux et plus facile à déplacer64. Le fluide Maxwell est un type particulier de NNF qui présente à la fois des propriétés visqueuses et élastiques lorsqu'il est soumis à des contraintes, ce qui le rend unique parmi les autres fluides non newtoniens65. Les fluides Maxwell sont fréquemment utilisés dans la modélisation de matériaux viscoélastiques tels que les solutions polymères, les gelées et les suspensions colloïdales. Le comportement de ces fluides a été caractérisé par le scientifique écossais James Clerk Maxwell66. L'efficacité d'une nanoparticule hybride composée d'un fluide réfrigérant viscoélastique Maxwell et de nanotubes de carbone dans le PTCS a été étudiée par67. Les caractéristiques thermiques d'un écoulement bidimensionnel de nanofluide de Maxwell sur une feuille d'étirement perméable ont été analysées par les chercheurs68, 69 en utilisant la méthode des éléments finis. L'objectif de cette étude était d'améliorer la compréhension du comportement de ces substances et de leurs applications potentielles.

Le flux de chaleur de Cattaneo – Christov est une forme modifiée de la loi de Fourier sur la conduction thermique, qui tient compte du fait que les matériaux mettent un certain temps à atteindre l'équilibre thermique. En 1948, Cattaneo a développé une équation modifiée pour la transmission de chaleur qui considérait une période de relaxation70. En 1977, Christov a encore amélioré cette équation en introduisant une composante supplémentaire qui tenait compte des effets de la viscosité. L'utilisation du flux de chaleur Cattaneo-Christov dans l'étude de l'énergie solaire est un développement récent qui a commencé dans les années 1990. Depuis lors, l'intégration de ce flux de chaleur dans les modèles solaires a conduit à des avancées significatives dans la compréhension de la structure interne et de la dynamique du Soleil. Dans le domaine de la physique solaire, le flux de chaleur Cattaneo-Christov a joué un rôle essentiel dans la résolution de problèmes de longue date. En incluant cela dans les modèles solaires, les scientifiques ont observé une amélioration de la précision de leurs observations empiriques. Cela a conduit à une meilleure compréhension de la structure interne et des caractéristiques dynamiques du Soleil, résultant en une précision accrue dans la modélisation solaire71. Les études mentionnées dans les références 72, 73 fournissent des informations supplémentaires sur le flux de chaleur Cattaneo–Christov.

L'utilisation de l'énergie solaire est importante pour les pays en développement et les sources d'énergie respectueuses de l'environnement. Les navires et bateaux à énergie solaire présentent de nombreux avantages tels que l'abordabilité, la réduction du bruit, la charge continue et la possibilité de recharger des appareils personnels. De plus, ils ont des impacts environnementaux minimes et sont très fiables. Les recherches menées dans diverses études ont mis en évidence l'importance de mener une analyse approfondie des facteurs non newtoniens et thermiques dans les systèmes solaires thermiques. De plus, l'incorporation de nanofluides hybrides dans les PTSC est cruciale pour améliorer l'efficacité opérationnelle du système. L'originalité de la présente recherche réside dans l'étude des caractéristiques d'écoulement d'un nanofluide hybride Maxwell visqueux sur une surface horizontale soumise à un flux de chaleur infini, en utilisant le modèle Cattaneo-Christov pour l'analyse. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité thermique des PTSC. Pour ce faire, deux types de nanofluides Maxwell sont utilisés : les nanotubes de carbone à paroi unique - les nanofluides Maxwell et les nanotubes de carbone à parois multiples/l'huile moteur (MWCNT-SWCNT/EO). La particularité de cette étude réside dans l'accent mis sur les navires et les bateaux à énergie solaire, examinant l'impact des nombres sans dimension sur la production d'entropie. En effectuant une analyse complète des facteurs non newtoniens et thermiques dans les systèmes solaires thermiques et en étudiant l'application spécifique des nanofluides hybrides dans les PTSC, cette recherche contribue à la compréhension et à l'avancement de l'efficacité opérationnelle des PTSC dans le contexte du transport maritime à énergie solaire. La figure 2 fournit une représentation graphique du PTSC.

Schéma géométrique de l'écoulement.

L'objectif principal de la création de la Fig. 2 est de démontrer le processus séquentiel de développement du modèle théorique actuel. Le diagramme décrit comment l'énergie solaire atteint le PTSC et se déplace à travers un fluide accompagné de rayonnement thermique, ce qui entraîne le stockage d'énergie maximal sur le PTSC grâce à la conductivité thermique. L'énergie stockée est sous forme de chaleur, qui est ensuite transformée en énergie électrique par des cellules photovoltaïques dans une batterie. Cette énergie électrique est utilisée à diverses fins dans le navire à énergie solaire.

La surface cylindrique du PTSC reçoit l'énergie solaire du soleil, qui est ensuite transformée en énergie thermique. La présence de nanoparticules dans le fluide qui traverse le PTSC intensifie cette énergie thermique. L'objectif central de l'expérience théorique actuelle est d'améliorer la capacité de stockage de chaleur du PTSC en incorporant des phénomènes physiques tels que le rayonnement thermique et la conductivité.

La surface du PTSC reçoit une grande quantité d'énergie solaire sous forme de chaleur, qui peut être convertie en énergie électrique pour alimenter les systèmes de navigation et d'éclairage. Ceci est réalisé à l'aide d'une batterie de cellules solaires située dans le boîtier de la zone de carburant de l'engin spatial, qui peut transformer l'énergie thermique en énergie électrique. Pendant la journée, la batterie stocke l'énergie générée, qui est ensuite utilisée pour alimenter le vaisseau spatial la nuit.

L'énergie stockée dans une batterie est un facteur critique pour déterminer sa capacité à alimenter diverses fonctions telles que l'avionique, les feux de navigation et les communications militaires. La capacité de stockage d'énergie de la batterie affecte directement sa capacité à faire fonctionner efficacement ces fonctions. Par conséquent, il est important de prendre en compte la capacité de stockage d'énergie de la batterie lors du choix d'une batterie pour des applications spécifiques.

Le modèle mathématique décrivant l'écoulement de fluide dans ce système démontre la vitesse d'étirement non uniforme sur une surface solide, telle qu'une plaque plate se déplaçant horizontalement à travers un fluide. Une équation qui représente cela est \({U}_{w}\)(x, 0) = \(bx\), où le paramètre \(b\) désigne le rapport initial d'expansion. La température d'une surface isolée est notée \({\Theta }_{w}\)(\(x\), t) = \({\Theta }_{\infty }+{b}^{*}x\) et est supposée rester constante à \(x\) = 0. Le taux de changement thermique est noté \({b}^{*}x\), tandis que \({\Theta }_{w}\) fait référence à la température du mur et \({\Theta }_{\infty }\) représente la température ambiante. La plaque a une surface glissante qui subit un changement de température. La figure 3 présente une représentation schématique du flux.

Effet de \(M\) sur \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), \(\theta \left(\xi \right)\).

La formulation mathématique a été développée sur la base des hypothèses présentées ci-dessous :

Nanofluide Maxwell non newtonien, flux de chaleur Cattaneo – Christov.

Nanotubes de carbone multiparois et monoparois (MWCNT et SWCNT).

Flow a des propriétés de dissipation visqueuse, un milieu poreux et une génération de chaleur.

Contraintes aux limites glissantes, Génération d'entropie, Conditions d'écoulement stable.

Rayonnement thermique solaire, champ magnétique.

Approximations de la couche limite, huile moteur (EG) comme BF.

Compte tenu des hypothèses énoncées précédemment, les équations qui régissent le modèle de Maxwell non newtonien avec flux de chaleur radiative peuvent être exprimées comme suit12 :

avec conditions aux limites74 :

Le tableau 1 fournit des informations sur les caractéristiques thermophysiques du nanofluide ainsi que les symboles utilisés dans la recherche actuelle. Lorsqu'une surface est chauffée par convection, il est important de prendre en compte la quantité de chaleur perdue par conduction, également appelée chauffage newtonien. Il est également important de comprendre le comportement du fluide près de la surface, qui peut être affecté par la condition de glissement. Cela fait référence à la façon dont les fluides se comportent lorsqu'ils entrent en contact avec des limites solides et peut affecter la vitesse à laquelle le fluide se déplace près de la surface. L'ampleur du glissement est directement liée à la quantité de contrainte de cisaillement subie par le fluide à la frontière75, 76. Cette compréhension est cruciale pour analyser avec précision le transfert de chaleur par convection.

HNF se compose d'un fluide de base et de nanoparticules à deux éléments. Ils sont utilisés pour améliorer la capacité de transfert de chaleur des fluides ordinaires et possèdent un exposant de chaleur supérieur à celui du NF. Les variables physiques thermodynamiques Maxwell HNF sont répertoriées ci-dessous.

NF :

HNF :

Le tableau 1 présente les facteurs thermophysiques des nanoparticules SWCNT, MWCNT et du fluide à base d'huile moteur. Récemment, des recherches ont été menées sur la manière dont les nanomatériaux pourraient améliorer les performances des échangeurs de chaleur79. Parmi divers types de nanomatériaux, les scientifiques ont identifié les SWCNT et MWCNT comme prometteurs pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur. En ajoutant ces nanomatériaux au fluide de base de l'huile moteur, le taux de transfert de chaleur et la conductivité thermique du fluide pourraient être considérablement améliorés, conduisant à une efficacité accrue de l'échangeur de chaleur. Cette méthode pourrait potentiellement conduire à la création d'échangeurs de chaleur plus efficaces, légers et compacts, ce qui serait bénéfique pour diverses applications d'ingénierie nécessitant l'utilisation d'huile moteur, y compris les navires à énergie solaire.

Le RA est un outil mathématique utilisé pour prévoir la façon dont l'énergie est transmise d'une surface au fluide qui l'entoure. La méthode d'approximation de Rosseland est jugée appropriée pour les cas où il existe des différences de température mineures entre la surface et le fluide. Cela implique que lorsque la différence de température est insignifiante, l'approximation de Rosseland peut prédire avec précision la quantité d'énergie qui sera échangée entre la surface et le fluide. Les prévisions précises du transfert d'énergie revêtent une grande importance dans divers domaines scientifiques et techniques tels que les prévisions météorologiques, les sciences spatiales et l'étude des matériaux80. Il est donc essentiel de comprendre son importance. De plus, la formule de l'énergie est hautement non linéaire et difficile à expliquer en termes de calcul à la température (\(\Theta\)). Cependant, si les différences de température à l'intérieur du flux sont minimes, une simplification significative peut être obtenue. Cela signifie que le processus de calcul peut être facilité s'il n'y a que de petites variations thermiques dans le flux. Dans certaines circonstances, la formule d'approximation de Rosseland peut être simplifiée en remplaçant la variable \({\Theta }_{\infty }\) par \({\Theta }^{3}\) pour obtenir une équation linéaire à la température \(({{\Theta }_{\infty })}^{3}\). Pour tenir compte de l'impact du rayonnement, la formule fournie par Rosseland est utilisée dans la formule (3), qui est représentée par l'expression suivante81 :

Le coefficient d'absorption, qui est représenté par k*, et la constante de Stefan Boltzmann, symbolisée par σ*.

Les équations utilisées pour résoudre les problèmes aux valeurs limites (BVP) connues sous le nom d'Eqs. (1)–(3) sont transformés en formes plus simples et non dimensionnelles en utilisant des conversions de similarité. Cette technique de conversion transforme les PDE en ODE. Cela conduit à l'expression de la fonction de flux et des quantités de similarité de la forme :

En remplaçant l'Eq. (6) dans le système des équations. (1)–(3), le résultat suivant est obtenu :

Avec

où

La formule (1) est satisfaite à l'identique. La notation ' indique une différenciation en (\(\xi\)), comme indiqué dans les équations ci-dessus. Les propriétés thermophysiques du nanofluide, ainsi que les symboles utilisés dans l'étude, sont décrites dans le tableau 2 situé ci-dessous.

Certaines branches de l'ingénierie s'appuient sur deux paramètres importants : la force de traînée (\({C}_{f})\) et le nombre de Nusselt (\({\mathrm{Nu}}_{x}).\) La force de traînée mesure la résistance d'un objet solide lorsqu'il se déplace dans un fluide, ce qui est crucial dans des domaines tels que l'aérospatiale et la mécanique des fluides. Les deux paramètres sont sans unité et sont utilisés pour améliorer l'efficacité des conceptions d'ingénierie. Le \({C}_{f}\) avec \({\mathrm{Nu}}_{x}\) peut être énoncé comme84 :

En appliquant des conversions sans dimension à l'équation mentionnée précédemment, on obtient :

Ici, \({\mathrm{Re}}_{x}\)=\(\frac{{U}_{w}x}{{v}_{f}}\).

Dans le domaine de la thermodynamique, le principe de génération d'entropie décrit la réduction progressive de la capacité d'un système à effectuer un travail à mesure que l'énergie devient moins disponible85. Ce principe est particulièrement important pour le rayonnement solaire, car il fournit un moyen de mesurer les inefficacités qui surviennent lors de la conversion de la lumière solaire en formes d'énergie utilisables. La perte d'énergie se produit en raison du manque d'efficacité des panneaux solaires et des autres composants utilisés pour transformer l'énergie. Pour maximiser l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire, il est important de minimiser la quantité d'énergie perdue sous forme d'entropie. Ceci peut être réalisé par des matériaux avancés et des techniques de conception qui réduisent les pertes d'énergie et augmentent la quantité d'énergie utilisable obtenue à partir du rayonnement solaire. La deuxième loi de la thermodynamique offre un moyen d'approximer la quantité d'irréversibilité ou de génération d'entropie qui se produit pendant le processus d'écoulement des nanofluides. Cela peut être mathématiquement exprimé comme35 :

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

Ces solutions proposées pour les fonctions \(f\left(\xi \right)\), \(and \theta \left(\xi \right)\) sont76 :

Ici, \({A}_{j}\left(\frac{2\xi }{L}-1\right)\) est une fonction de base de Legendre décalée définie dans l'intervalle [1;1] à [0 ; L]. Pour résoudre les valeurs des constantes \({a}_{j}\) et \({b}_{j}\), nous devons utiliser la formule (13) et la remplacer dans les BC.

En insérant la formule (13) dans la formule (7–8), nous avons obtenu trois résidus : \({R}_{f}\left(\xi \right)\) et \({R}_{f}\left(\xi \right)\). La méthode de collocation est utilisée et sa description est fournie comme suit :

avec

Les points de Gauss-Lobatto décalés sont notés \({\xi }_{j}\). Le système des équations algébriques. (7–8) comprend 2N + 2 équations, et avec des coefficients inconnus \({a}_{j}\) et \({b}_{j}\). Ces coefficients ont été calculés à l'aide du logiciel MATHEMATICA. Le tableau 3 présente les différents degrés de convergence d'approximation. Néanmoins, LBCS produit une convergence rapide des solutions approchées. La validité de la solution numérique utilisée dans la présente étude est démontrée en comparant les résultats avec ceux obtenus dans une étude précédente. Le tableau 4 présente cette comparaison et montre qu'il existe une forte corrélation entre les résultats numériques des deux études.

Cette section de l'étude affiche des graphiques qui illustrent les changements de vitesse du fluide \(({\mathrm{f}}^{\prime}({\upxi })),\;{\text{and}}\;{\text{thermal}}\;{\text{profile}}\;({{\theta (\xi )}})\;{\text{entropy}}\;{\text{production}}\;{\text{(Ng)}}\) pour MWC Nanofluide hybride NT-SWCNT/EO (HNF) et nanofluide MWCNT –SWCNT (NF). Les figures 3a, 4a, 5a, 8a, 9a montrent les variations de \(\mathrm{f}{{^{\prime}}}(\upxi )\), tandis que les Figs. 3b, 4b, 5b, 6a,b, 7a,b, 8b, 9b illustrent les changements dans \(\uptheta (\upxi )\). De plus, les Fig. 4c, 10a,b montre les variations de \((\mathrm{Ng})\). De plus, l'étude présente les résultats numériques du nombre de Nusselt. Les résultats sont présentés sous forme de tableau (tableau 5).

Effet de \({\Lambda }_{M}\) sur \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), \(\theta \left(\xi \right)\) et \({N}_{G}\).

Effet de \(\varphi {,\varphi }_{h}\) sur \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\) et \(\theta \left(\xi \right)\).

Effet de l'effet de \({R}_{M}\) sur \(\theta \left(\xi \right)\), et Ng.

Impact Ec et \({Q}_{M}\) sur \(\theta \left(\xi \right)\).

Impact \({\varpi }_{M}\) et \({\delta }_{N}\) \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\) et \(\theta \left(\xi \right)\).

Effet de \({K}_{M}\) sur \(f{^{\prime}}(\xi ) et \theta (\xi )\).

Impact de \({B}_{M},\) et Re sur Ng.

Comprendre le nombre de Nusselt est crucial pour bien comprendre le taux de transfert thermique. C'est l'un des facteurs clés qui jouent un rôle important dans la détermination des résultats du processus de transfert thermique. Les nombres de Nusselt dans le tableau 5 prouvent que l'utilisation de combinaisons de nanofluides hybrides MWCNT-SWCNT/EO (HNF) conduit à un taux de transfert thermique plus élevé par rapport au nanofluide MWCNT-SWCNT (NF). Cela valide l'attente selon laquelle les combinaisons HNF entraîneraient un taux de transfert thermique plus élevé. Le tableau 5 présente une répartition des pourcentages, qui révèle qu'une augmentation de la valeur Ec a entraîné une augmentation notable. Le plus petit pourcentage observé était de 1,96 %, tandis que le plus grand était de 2,13 %. Le tableau montre une augmentation de \({R}_{M}\). La différence en pourcentage entre le point le plus petit et le point le plus grand est respectivement de 1,99 % et 2,25 %. De plus, l'étude a démontré que les valeurs minimales et maximales du HNF et du NF relatifs se situent entre 2,02 et 2,07 % lorsque la valeur de \({\delta }_{M}\) augmente. Lorsque la valeur de \(\mathrm{M}\) augmente, la plage de valeurs observées se situe entre 2,02 et 2,07 %, 2,2 % étant la valeur minimale et 2,7 % étant la valeur maximale. Le taux de transfert thermique de HNF et NF augmente d'un minimum de 2,2 à 2,6 % à mesure que la valeur de \({B}_{i}\) augmente. Cela signifie que tous les paramètres physiques contribuent positivement au taux de transfert thermique.

L'effet de M sur le profil de vitesse est illustré à la Fig. 10. À mesure que la force du champ magnétique s'intensifie, il exerce une plus grande force sur les particules chargées présentes dans le fluide, entraînant une augmentation de la résistance. Cette augmentation de résistance entraîne par conséquent une réduction supplémentaire de la vitesse du fluide. L'écoulement de la couche limite concerne la fine couche de fluide adjacente à une surface, qui peut subir une instabilité et passer d'un écoulement régulier et ordonné à un écoulement désordonné et turbulent. Un tel changement peut entraîner une élévation de la force de traînée subie par les objets se déplaçant à travers le fluide, entraînant finalement une efficacité réduite. Sur la base de la présence de nanoparticules hybrides dans le fluide de base, le nanofluide hybride semble montrer un certain déclin par rapport au nanofluide régulier au même point. Le NF régulier rend plus difficile l'influence du champ magnétique sur le fluide, ce qui pourrait expliquer cette légère amélioration des performances. La figure 3b illustre le phénomène où la température du système augmente en raison d'un transfert de chaleur réduit vers d'autres zones provoqué par le mouvement plus lent de l'écoulement de fluide. Si la valeur du coefficient de transfert de chaleur est positive, cela indique que la chaleur se déplace de la surface vers le fluide. Cela signifie que la surface libère de l'énergie thermique pendant que le fluide l'absorbe. Comprendre ce mécanisme est essentiel pour de nombreuses applications d'ingénierie, y compris les systèmes de refroidissement pour l'électronique ou les moteurs, et cela peut aider à améliorer l'efficacité des systèmes.

Le nombre de Deborah est un concept mathématique qui définit la relation entre l'élasticité et la viscosité d'un fluide. Il joue un rôle crucial dans la détermination de la façon dont un fluide réagit à différents types de pression et de force. À partir de la Fig. 4a, il a été observé que le profil de vitesse d'un fluide est réduit de \({\Lambda }_{M}\). Pendant ce temps, lorsque le nombre de Deborah est faible, le fluide devient plus élastique et son profil de vitesse devient parabolique. Cela se produit parce que les forces élastiques sont plus dominantes que les forces visqueuses, ce qui fait que le fluide se comporte comme un solide. tandis que la vitesse la plus faible se produit près des murs, créant une forme parabolique incurvée. À mesure que le \({\Lambda }_{M}\) augmente, la capacité du fluide à s'écouler change. Plus le \({\Lambda }_{M}\) augmente, plus le fluide devient visqueux et moins il devient élastique. De plus, le fluide se comporte plus comme un liquide normal, les forces visqueuses étant dominantes sur les forces élastiques. Comme observé sur la figure 4a, la vitesse d'écoulement du nanofluide hybride Maxwell présente un schéma décroissant. La figure 4b illustre l'impact de \({\Lambda }_{M}\) sur le profil de température. Dans le cas de faibles nombres de Deborah, le fluide présente un comportement newtonien, où l'influence des forces visqueuses domine sur les forces élastiques. Lorsque le \({\Lambda }_{M}\) monte, les forces élastiques ont un impact plus important que les forces visqueuses, ce qui conduit à la création de variations de température dans le fluide. Ce phénomène se produit parce que les forces élastiques induisent des modèles de déformation et de relaxation dans le fluide. Le présente une plus grande amélioration de la répartition de la température par rapport au nanofluide hybride. D'après la figure 4c, à mesure que le nombre de Deborah augmente, la génération d'entropie augmente également. Ce phénomène peut être attribué au fait que des nombres de Deborah plus élevés sont liés à des taux de cisaillement plus élevés et à des temps de relaxation plus longs, ce qui entraîne une quantité plus importante de perte d'énergie irréversible.

Le comportement des fluides, tels que la façon dont ils s'écoulent et distribuent la chaleur, est considérablement impacté par la présence de nanoparticules dans le fluide (voir Fig. 5a, b). Le frottement créé par ces nanoparticules joue un rôle crucial dans la détermination des caractéristiques physiques du fluide. De plus, la taille des nanoparticules est un facteur important qui a cinq quantités spécifiques, qui sont notées par exemple \({\phi }_{a}\)=\({\left(1-{(\phi }_{1}{+\phi }_{2})\right)}^{2.5} , {\phi }_{b}\)=\(\left(1-{(\phi }_{1}{+\phi }_{2})\right )+{\phi }_{1}{\rho }_{{s}_{1}}/{{\rho }_{f}+\phi }_{2}{\rho }_{{s}_{2}}/{\rho }_{f}\),\({\phi }_{c}=\left(1-{(\phi }_{1}{+\phi }_{2})\right)+{\phi }_{ 1}{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{\mathrm{s}1}/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}\)+\({\phi }_{2}{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{s2}/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}, {\phi }_{d}\ )=\(\left(\frac{({k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}-{2\phi }_{2}\left({k}_{nf}-{k}_{\mathrm{s}2}\right)}{({k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}+{\phi }_{2}\left({k}_{nf} -{k}_{\mathrm{s}2}\right)}\right)\times \left(\frac{{k}_{\mathrm{s}1}+2{k}_{f}-2{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}{({k}_{\mathrm{s}1}+2{k}_{f}+{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}\right)\), basé sur le modèle à l'échelle nanométrique Tiwari–Das. Cependant, le comportement de l'écoulement au niveau de la couche limite (BL) en présence de rayonnement solaire peut être modifié par la présence de nanoparticules dans un fluide. Le BL du fluide qui est en contact direct avec une surface, comme un panneau solaire, est connu sous le nom de couche limite, et il est influencé par le transfert de chaleur du rayonnement solaire. Changer la proportion de nanoparticules dans le fluide peut entraîner une modification du profil de vitesse de l'écoulement de la couche limite. À mesure que le paramètre de volume fractionnaire des nanoparticules augmente, le flux de fluide près de la surface du panneau solaire devient plus uniforme et moins turbulent. Cela entraîne une diminution de la vitesse du fluide à la surface du panneau solaire. Par conséquent, l'augmentation de la concentration en nanoparticules entraîne une réduction de la vitesse du fluide (voir Fig. 5a). Le mouvement des fluides et des particules dans un système est fortement influencé par deux facteurs importants. Le premier facteur est le paramètre de volume fractionnaire des nanoparticules, qui a un impact significatif sur le comportement d'écoulement des systèmes fluide-particules. Le deuxième facteur est le profil de température du système, qui décrit la répartition de la température entre le fluide et les particules. Ces deux facteurs sont essentiels pour comprendre le comportement des systèmes fluide-particules. La concentration de nanoparticules dans les systèmes fluide-particules a un impact significatif sur la distribution de la température. À mesure que la concentration de nanoparticules augmente, la répartition de la température devient plus diversifiée en raison des différences dans les propriétés thermiques du fluide et des particules. Une concentration plus élevée de nanoparticules entraîne une distribution de température plus uniforme car le transfert de chaleur entre le fluide et les particules est plus efficace. Cela suggère que la concentration en nanoparticules est un facteur important dans le contrôle de la distribution de la température dans les systèmes fluide-particules (voir Fig. 5b).

Le paramètre de flux de chaleur radiatif est essentiel pour déterminer l'impact du rayonnement solaire sur la distribution de température d'un système. Ce paramètre de flux de chaleur radiatif est responsable du transfert d'énergie thermique par rayonnement et détermine la quantité d'énergie qu'une surface absorbera ou réfléchira. Sa valeur est importante car elle affecte directement le profil de température du système. L'influence de \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) sur la distribution thermique est illustrée à la Fig. 6a. Comme observé sur la figure 6a, la distribution thermique du flux de chaleur radiatif du nanofluide hybride présente un schéma croissant. Cependant, plus le rayonnement solaire est absorbé par la surface, plus il provoque une augmentation de sa température en raison de l'énergie supplémentaire reçue. Physiquement, la raison de cet événement est que l'énergie du soleil, également appelée rayonnement solaire, augmente la température de surface en fournissant de l'énergie. De plus, cette élévation de température peut être encore amplifiée en améliorant le paramètre de flux de chaleur radiatif, permettant à la surface d'absorber plus d'énergie solaire. Le principal facteur responsable de cet effet est l'apport d'énergie supplémentaire du soleil, qui entraîne une augmentation de la température. Les implications de ce phénomène sont remarquables dans différents domaines, tels que l'énergie solaire, l'ingénierie et la science des matériaux. L'influence de \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) sur la génération d'entropie est illustrée à la Fig. 6b. Le paramètre de flux de chaleur radiatif a un effet significatif sur la façon dont la génération d'entropie, remarquablement dans les systèmes qui sont exposés au rayonnement solaire. Cependant, cela signifie que la compréhension de l'impact du paramètre de flux de chaleur radiatif est cruciale pour modéliser et prédire avec précision la génération d'entropie dans ces systèmes. Le taux de génération d'entropie peut être utilisé pour mesurer le degré d'irréversibilité de chaque processus. À mesure que \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) augmente, la vitesse à laquelle l'entropie est générée augmentera. Physiquement, cela se produit parce que l'augmentation du flux de chaleur radiative provoque une plus grande différence de température entre le système et son environnement, ce qui entraîne plus de transfert de chaleur et plus de génération d'entropie. Pour créer des technologies énergétiques durables et efficaces sur le plan environnemental, il est nécessaire de comprendre les mécanismes physiques sous-jacents et la minimisation de la génération d'entropie. Cela peut conduire au développement de nouvelles technologies.

Le nombre d'Eckert (Ec) donne un aperçu de la proportion de l'énergie cinétique à l'énergie thermique dans un écoulement de fluide. Plus précisément, il indique le rapport entre la densité d'énergie cinétique et la densité d'énergie thermique, ce qui aide à comprendre l'équilibre entre ces deux types d'énergie présents dans l'écoulement. Pour comprendre l'impact du nombre d'Eckert sur la température du fluide, il est essentiel d'analyser l'équilibre entre l'énergie cinétique et thermique présente au sein de l'écoulement. L'influence de Ec sur la distribution thermique est illustrée à la Fig. 7a. Un nombre d'Eckert élevé indique une dominance de l'énergie cinétique sur l'énergie thermique, ce qui entraîne le contrôle du flux par l'énergie cinétique. Lorsque le nombre d'Eckert est faible, cela indique que l'énergie thermique dans le fluide est bien supérieure à son énergie cinétique. Cela implique que l'écoulement du fluide est principalement influencé par son énergie thermique. Par conséquent, il y aura des différences de température notables tout au long du flux, ce qui peut entraîner des variations dans les profils de température. La raison de ce comportement peut être comprise en examinant comment le rayonnement solaire réchauffe le fluide. Lorsque le rayonnement solaire est absorbé, il chauffe le fluide et le fait se dilater, ce qui fait que le fluide a plus d'énergie en mouvement. Cette énergie est ensuite dissipée lorsque le fluide se déplace dans le flux en raison des forces visqueuses, se transformant finalement en énergie thermique. Le nombre d'Eckert joue un rôle crucial dans la détermination de la vitesse à laquelle cette transformation a lieu en contrôlant l'équilibre entre l'énergie du mouvement et l'énergie thermique dans le flux. La figure 7b indique que lorsque le \({Q}_{M}\) est augmenté, il sera produit à une vitesse plus rapide qu'il ne peut être dissipé, ce qui fait que le fluide devient plus chaud. Ceci, à son tour, conduit à des différences de température plus importantes dans le flux de fluide. Ce phénomène est causé par la façon dont le rayonnement solaire interagit avec le fluide. Le fluide absorbe le rayonnement solaire, ce qui augmente sa température et génère de l'énergie thermique. Comme observé sur la figure 7b, la distribution thermique du flux de chaleur radiatif du nanofluide hybride présente un schéma croissant du nanofluide régulier. Physiquement, si le taux de génération de chaleur est trop élevé, l'énergie thermique peut s'accumuler plus rapidement qu'elle ne peut être libérée par le fluide, ce qui le rend plus chaud. Cela conduit à des différences de température plus importantes dans le flux de fluide.

L'influence de la vitesse de glissement \(\left({\varpi }_{M}\right)\) augmente le profil de vitesse (voir Fig. 8a). Il a été montré que la température du fluide de vitesse pour le nanofluide hybride est supérieure à celle du nanofluide. Le glissement de vitesse est un terme utilisé pour décrire la différence de vitesse entre la surface solide et le fluide dans les nanofluides, qui est causée par l'existence de nanoparticules dans le fluide. Ce phénomène a des effets notables sur le comportement et les caractéristiques des nanofluides et doit donc être pris en compte lors du traitement des applications de ces fluides. Le profil de vitesse dans les nanofluides est influencé par le \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\), qui dépend des caractéristiques uniques des nanoparticules (NTC) et du fluide de base (huile moteur). Comme MWCNT-SWCNT est ajouté à l'huile moteur, le paramètre de glissement provoque une diminution de la vitesse près des surfaces solides. Physiquement, l'occurrence peut s'expliquer par le fait que les NTC ont une surface hydrophobe, ce qui provoque un effet glissant à la rencontre des phases solide et liquide. Lorsque le paramètre de glissement augmente, l'écoulement du fluide près de la surface devient plus uniforme, ce qui implique un taux de variation de vitesse plus faible. Le paramètre de glissement de la vitesse a un effet notable sur la vitesse du fluide pour un nanofluide hybride, ce qui conduit à une réduction du gradient de vitesse à proximité des surfaces solides. Ce phénomène se produit en raison de la nature hydrophobe des nanotubes de carbone, provoquant une condition de glissement à l'interface du liquide et du solide. Pour le dire simplement, le paramètre de glissement de la vitesse influence la façon dont les fluides s'écoulent autour des surfaces solides dans les nanofluides contenant des nanotubes de carbone en raison de leurs propriétés hydrophobes. Le comportement physique du paramètre de temps de relaxation \({\delta}_{M}\) est illustré graphiquement sur la figure 8b. Le paramètre de temps de relaxation désigne la durée dont un fluide a besoin pour étaler son énergie thermique. Ce paramètre est affecté par la conductivité thermique du fluide ainsi que les propriétés des particules en suspension. Lorsque le fluide a une conductivité thermique plus élevée, le \({\delta }_{M}\) a généralement tendance à être plus faible. En termes plus simples, ce paramètre signifie la vitesse à laquelle un fluide libère son énergie thermique, qui dépend de la capacité de conduction thermique du fluide et de la taille et de la forme de ses particules. Par conséquent, un fluide qui peut conduire la chaleur plus efficacement aura un temps de relaxation plus court. L'utilisation d'un nanofluide hybride contenant à la fois MWCNT-SWCNT/huile moteur démontre une capacité de conduction thermique supérieure par rapport à l'huile moteur SWCNT.

Le paramètre de milieu poreux \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) flux de nanofluide hybride montre avec quelle douceur un fluide peut pénétrer dans un matériau poreux, la distribution de la vitesse du fluide pour le mono est inférieure à celle du nanofluide hybride. De plus, la loi de Darcy explique comment le mouvement du fluide est influencé par un matériau poreux, en particulier comment sa vitesse est affectée. La loi stipule essentiellement que l'écoulement du fluide à travers le milieu poreux est déterminé par le gradient de pression, la perméabilité du milieu et la viscosité du fluide. À partir de la figure 9a, il a été observé que lorsque le fluide se déplace dans un milieu, il subit une résistance qui entraîne une diminution de la vitesse. Cependant. La surface des CNT possède la capacité d'améliorer le processus de transfert de chaleur et la conductivité thermique des fluides. Lorsque ces nanotubes sont mélangés à de l'huile moteur, ils produisent une nouvelle catégorie de fluides appelés NF. Ces NF ont le potentiel d'être efficacement employés dans divers types de projets d'ingénierie. L'effet de \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) est affiché sur la figure 9a. Il a été observé que \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) améliore le profil de température. Physiquement, lorsque la lumière du soleil pénètre dans le matériau poreux, elle est absorbée par le matériau et augmente sa température du matériau. L'importance de ce phénomène est soulignée dans le contexte des navires à énergie solaire, où le matériau poreux sert d'outil efficace pour gérer la température du système de stockage d'énergie, comme les piles à combustible ou les batteries. En maintenant la température optimale au sein de ces systèmes, il devient possible d'améliorer leurs performances et leur longévité, ce qui se traduit par un fonctionnement plus fiable et plus respectueux de l'environnement du navire.

Le nombre de Brinkman est une valeur sans dimension qui est utilisée dans le domaine de la mécanique des fluides pour déterminer l'importance des forces visqueuses par rapport aux forces d'inertie au sein d'un fluide. Cela nous aide à comprendre à quel point la viscosité du fluide affecte son comportement à sa masse et à son mouvement. À partir de la figure 10a, le \({\mathrm{B}}_{\mathrm{M}}\) augmente, il y a une augmentation correspondante du taux de génération d'entropie. Physiquement, la mise en œuvre de la technologie de l'énergie solaire dans les navires a le potentiel de réduire la dépendance aux sources d'énergie non renouvelables et de minimiser les effets environnementaux négatifs de l'industrie du transport maritime. L'efficacité de l'énergie solaire dépend d'une multitude de facteurs, tels que l'accessibilité à la lumière du soleil et la capacité des cellules photovoltaïques. À partir de la figure 10a, à mesure que le Re augmente, le taux de génération d'entropie augmente en raison de la présence d'un nanofluide hybride plus important dans la couche limite, ce qui provoque la dissipation de plus d'énergie sous forme de chaleur. Physiquement, l'optimisation de l'efficacité des panneaux solaires et la création d'entropie dans un navire à énergie solaire peuvent être obtenues en régulant le nombre de Reynolds dans la couche limite du système.

En conclusion, cette étude informatique a démontré le potentiel de l'utilisation du nanofluide hybride MWCNT-SWCNT/EO (HNF) et du nanofluide MWCNT-SWCNT (NF) et du modèle de flux de chaleur Cattaneo-Christov pour améliorer les performances de transfert de chaleur des navires à énergie solaire. Les résultats de cette étude mettent en évidence les perspectives prometteuses de cette nouvelle approche pour obtenir des améliorations significatives des taux de transfert de chaleur. Avec la demande croissante de sources d'énergie renouvelables et durables, cette approche offre une solution pratique et efficace pour surmonter les défis auxquels sont confrontés les navires à énergie solaire. La mise en œuvre de nanofluides hybrides CNT et du modèle de flux de chaleur Cattaneo-Christov devrait contribuer au développement de systèmes énergétiques plus efficaces et durables. Dans l'ensemble, cette étude fournit une base solide pour les recherches futures sur l'utilisation des nanofluides hybrides CNT et le modèle de flux de chaleur Cattaneo-Christov pour améliorer les performances des navires à énergie solaire.

Le résultat montre que le HNF a une meilleure amélioration radiative thermique par rapport au NF.

En augmentant les valeurs de \({R}_{M}\), \({K}_{M}\), \({\delta }_{M},\) on a observé que le champ de vitesse diminue.

Le paramètre \({\varpi }_{M}\) a un impact négatif sur la vitesse du fluide, la faisant diminuer à mesure que \({\varpi }_{M}\) augmente.

Comme les nanomatériaux sont présents avec \({R}_{M}\), Ec et \({Q}_{M}\), l'épaisseur de la couche limite thermique augmente progressivement avec le temps, entraînant une diminution du taux d'échange de chaleur.

La génération d'entropie est influencée par divers paramètres, tels que \({R}_{M},\) \({B}_{M},\) Re et \({\Lambda }_{M}\).

L'efficacité thermique du HNF est meilleure que celle du NF, avec une amélioration relative allant de 1,78 à 2,25 %.

Les valeurs croissantes de \({\delta }_{M}\) \({\Lambda }_{N}\) \({K}_{M}\), \(\varphi ,{\varphi }_{h}\) favorisent la répartition des températures.

Sur la base des résultats de cette enquête, il est suggéré qu'une enquête plus approfondie soit menée pour vérifier les résultats obtenus grâce à la modélisation informatique et évaluer la viabilité de l'adoption des nanofluides hybrides CNT et du modèle de flux de chaleur Cattaneo-Christov dans les applications industrielles des navires à énergie solaire. Ces nouvelles approches devraient apporter une contribution significative au développement de systèmes énergétiques à la fois plus efficaces et plus respectueux de l'environnement. Il a été proposé que les recherches futures doivent se concentrer sur la réalisation d'expériences expérimentales pour valider les résultats des modèles informatiques. Cette recherche pourrait également étudier d'autres types de nanofluides et de modèles de flux de chaleur pour déterminer s'ils ont ou non la capacité d'améliorer les performances de transfert de chaleur des navires à énergie solaire. En général, les résultats de ce travail fournissent une base solide pour les recherches futures dans ce domaine. Ils démontrent également le potentiel prometteur de l'utilisation de nanofluides hybrides CNT et du modèle de flux de chaleur Cattaneo-Christov pour améliorer le fonctionnement des navires à énergie solaire.

Toutes les données utilisées dans ce manuscrit ont été présentées dans le manuscrit. Aucune donnée n'est masquée ou restreinte.

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Amsalu Fenta

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La conceptualisation a été réalisée par l'AMO, le MAM et l'OAO ; la méthodologie a également été gérée par l'AMO, le MAM et l'OAO ; le travail par logiciel a été effectué par AMO, OAO et JO ; la validation a été faite par JO et AF ; la rédaction du projet original et la préparation du projet de révision ont été effectuées par l'AMO, l'OAO et le MAM ; JO et AF ont supervisé le manuscrit.

Correspondance à Amsalu Fenta.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Reçu : 06 mai 2023

Accepté : 08 juin 2023

Publié: 10 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36716-x

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