Exploración de los efectos de la fuerza de Coriolis y la radiación térmica en el agua
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Exploración de los efectos de la fuerza de Coriolis y la radiación térmica en el agua

May 19, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21733 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Las propiedades termofísicas mejoradas de los nanofluidos híbridos los hacen aplicables en una gran cantidad de aplicaciones mecánicas y de ingeniería que requieren una mayor transferencia de calor. El presente estudio se centra en un flujo tridimensional de nanofluido híbrido a base de agua de óxido de cobre y aluminio \(\left( Cu\text{- }Al_{2}O_{3}\right)\) dentro de la capa límite con transferencia de calor sobre una placa giratoria que se estira exponencialmente, sujeta a un campo magnético inclinado. La lámina gira a una velocidad angular \(\Omega\) y el ángulo de inclinación del campo magnético es \(\gamma\). El empleo de un conjunto de transformaciones de similitud apropiadas reduce las PDE gobernantes a ODE. Las EDO resultantes se resuelven con el código de diferencias finitas con la técnica de disparo. La velocidad primaria aumenta con una rotación grande, pero la velocidad secundaria se reduce a medida que aumenta la rotación. Además, se encuentra que el campo magnético se opone al flujo y, por lo tanto, provoca una reducción en las velocidades tanto primaria como secundaria. El aumento de la fracción de volumen reduce el coeficiente de fricción de la piel y mejora la tasa de transferencia de calor.

El campo de la nanotecnología ha cautivado el interés de los investigadores en las últimas décadas. Los nanolíquidos se componen de algunos líquidos portadores como el agua, con algunas nanopartículas sólidas (partículas de menos de 100 nm de diámetro). Las aplicaciones de los nanolíquidos se encuentran en centrales eléctricas, refrigeración de reactores nucleares, aeronaves y microrreactores. En primer lugar, Choi y Eastman1 revisaron las características termofísicas de las nanopartículas. Numerosos académicos han escrito importantes informes sobre el comportamiento térmico de nanopartículas y nanolíquidos. Ali et al.2 realizaron un análisis exhaustivo de los efectos del calentamiento óhmico en el flujo de nanofluidos. Waqas et al.3 revisaron la corriente de nanolíquidos de Maxwell iniciada por un cilindro al considerar la bioconvección. Khan et al.4 estudiaron el flujo de nanolíquido con efecto magnético y energía de activación. Zhou et al.5 examinaron la corriente de nanofluidos de Williamson teniendo en cuenta los efectos de bioconvección y doble difusión. Ver6,7,8,9,10 para estudios más recientes sobre nanofluidos. Recientemente, el nanofluido híbrido ha ganado más atención por parte de los investigadores. Esto se debe a su mayor conductividad térmica en comparación con los nanofluidos; y por lo tanto, el nanofluido híbrido sirve como una mejor opción para la transferencia de calor en dispositivos o sistemas térmicos11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Un nanofluido híbrido es una suspensión diseñada de dos nanopartículas sólidas separadas amalgamadas en una base líquida. Su conductividad térmica es superior a la de un simple nanofluido. Anuar et al.21 exploraron el flujo magnetohidrodinámico de nanolíquidos híbridos a base de cobre y alúmina y encontraron que la separación de la capa límite se retrasa por un campo magnético creciente. El estudio también muestra sus dos soluciones; solución estable y solución inestable. Mabood et al.22 tipificaron el efecto de la radiación de calor en el flujo MHD de un nanofluido híbrido y los resultados muestran que la velocidad del flujo disminuye a medida que aumenta la concentración de masa. Gowda et al.23 examinaron una corriente de fluido que contenía nanopartículas duales sobre un disco giratorio en la deposición de partículas de contabilidad. La velocidad ascendente del movimiento del disco condujo a un aumento tanto en la velocidad tangencial como radial. La transferencia de masa también disminuye a medida que aumenta la termoforesis.

Muchos sistemas contemporáneos de intercambio de calor que requieren temperaturas muy altas dependen de la radiación térmica en las operaciones de flujo y transferencia de calor. La radiación térmica es un tipo de fenómeno de transferencia de calor que distribuye energía térmica a través de partículas líquidas. La estimulación del impacto de la radiación en la corriente magnetohidrodinámica tiene un gran atractivo en una plétora de operaciones industriales y técnicas que involucran altas temperaturas, como la fabricación de bombas de petróleo, la producción de chips eléctricos, placas de papel y el enfriamiento de componentes metálicos. Khan et al.24 investigaron los efectos de la termoforesis en el flujo de líquido de segundo grado con efecto de radiación sobre una superficie en expansión. Las ecuaciones se volvieron adimensionales y la ecuación diferencial ordinaria no lineal resultante se resolvió utilizando el método de análisis de homotopía. Al aumentar el espesor de la película y la fuerza del campo magnético, se descubrió que los perfiles de velocidad se reducen significativamente. Los perfiles de temperatura aumentan con un aumento en el parámetro de conductividad térmica. En un estudio realizado por Animasaun et al.25, se descubrió que el número de Nusselt \(-\theta '\left( 0\right)\) aumenta con el número de Prandtl a una tasa óptima de 1,53 cuando la transmisión de energía térmica a través de electro -Las ondas magnéticas son mínimas.

El paso de flujo y calor de diferentes líquidos a través de un MF se usa ampliamente en una variedad de aplicaciones industriales y tecnología. Debido a varios usos en procesos de ingeniería y extracción de energía, el flujo de líquido sobre una superficie estirada con MF ha atraído un interés considerable. Durante las últimas décadas se han publicado numerosas investigaciones sobre el flujo de MHD en una lámina/placa de estiramiento. Irfan et al.26 inyectaron el flujo de nanolíquido de Maxwell a través de un cilindro de campo magnético. La fuerza del campo magnético mejoró los perfiles de temperatura y concentración al tiempo que inhibía el perfil de velocidad del nanofluido de Maxwell. Nandeppanavar et al.27 demostraron los efectos magnéticos y de fusión en el flujo de líquido de Casson. El estudio exploró la transferencia de calor y la concentración del flujo de convección libre de doble difusión del fluido Casson conductor de electricidad hacia un punto de estancamiento. Se encuentra que los perfiles de velocidad se reducen a medida que aumenta la intensidad del campo magnético. Los resultados de la aplicación de MF en el nanolíquido de Casson que reacciona químicamente fueron tipificados por Kumar et al.28. Se encontró que el campo magnético también inhibe la velocidad del flujo. Khan et al.29 y Oyem et al.30 analizaron el impacto de MF en una corriente disipativa de nanolíquido bajo la condición de Robin. El estiramiento de los modelos es importante debido a sus numerosas aplicaciones en la fabricación, como la capa límite a lo largo del proceso de concentración de la película líquida y la extrusión de láminas de polímero a partir del sustrato. Ver9,31 para más estudios sobre el flujo de MHD de diferentes fluidos.

La fuerza de Coriolis es la fuerza responsable de la desviación en la dirección de un fluido que fluye. En las ecuaciones de flujo fundamentales, la fuerza de Coriolis es tan importante como cualquier otra fuerza de inercia, fuerza magnetohidrodinámica y fuerza viscosa. La fuerza de gradiente de presión, la fuerza gravitacional, la fuerza centrífuga y la fuerza de fricción actúan sobre cualquier flujo de líquido en la superficie de la tierra. Lo contrario es el caso de la atmósfera y el agua, donde la fuerza de Coriolis no tiene una influencia significativa en todos los fenómenos de transporte. Cuando la velocidad de movimiento del líquido es pequeña en comparación con la velocidad de rotación, el efecto Coriolis se vuelve insignificante, razón por la cual el efecto Coriolis no se experimenta fácilmente en la Tierra. Desde décadas pasadas, numerosos investigadores están explorando el impacto de la fuerza de Coriolis en diversas corrientes líquidas32,33,34,35,36,37,38 y en cada uno de los estudios se encontró que el efecto de Coriolis es significativo en la velocidad del flujo.

Es importante tener en cuenta que, según la literatura de investigación disponible, no se ha realizado ninguna investigación sobre el impacto simultáneo de la radiación de calor y la fuerza de Coriolis en el agua que transporta nanopartículas de cobre y alúmina en una placa giratoria que se estira exponencialmente. Por lo tanto, este estudio es novedoso y tiene un significado práctico en matemáticas e ingeniería, y abrirá un espacio para futuras investigaciones. Las siguientes preguntas de investigación se responden en este estudio;

¿Cómo afecta el aumento del efecto Coriolis al flujo de nanofluidos híbridos a base de cobre, alúmina y agua sometidos a radiación térmica?

¿Cómo afecta el aumento del tamaño de la fuerza MF a los coeficientes de tasa de transferencia de calor y fricción de la piel en el flujo de flujo de nanofluido híbrido a base de cobre-alúmina-agua?

¿Cómo afecta el aumento del ángulo de inclinación al flujo del nanofluido híbrido a base de agua?

¿Cómo afecta el aumento de la fracción de volumen a la tasa de transferencia de calor en el flujo de nanofluidos híbridos a base de agua?

Este estudio analiza un flujo de capa límite 3D de nanofluido híbrido a base de agua eléctricamente conductor que pasa por una hoja estirada exponencialmente. La figura 1 muestra el establecimiento de la configuración de flujo. La hoja gira a una velocidad angular \(\Omega\) y el flujo es constante, laminar e incompresible. Un MF inclinado de fuerza B se aplica a la superficie en un ángulo \(\gamma .\) Siguiendo las formulaciones de Nayak et al.39 y Oke et al.35, las ecuaciones que gobiernan el flujo se dan en las Ecs. (1–4);

Las condiciones iniciales y de contorno se dan en las Ecs. (5) y (6);

Configuración de flujo.

La viscosidad dinámica efectiva \(\mu _{hnf}\) y la densidad efectiva \(\rho _{hnf}\) del nanofluido híbrido21 se definen en la ecuación. (7) a continuación;

donde \(\phi\) es la fracción de volumen total definida como \(\phi =\phi _{1}+\phi _{2}\)10. La difusividad térmica efectiva \(\alpha _{hnf}\) y la capacidad calorífica específica \(\left( \rho c_{p}\right) _{hnf}\)40,41,42 se definen como se muestra en las ecuaciones . (8) y (9);

La tasa de transferencia de calor y la fricción de la piel a lo largo de los ejes x y z son las cantidades de relevancia para la ingeniería, y se dan en la ecuación. (10) como

respectivamente. El esfuerzo cortante \(\tau\) a lo largo de las direcciones x e y en la pared y el flujo de calor de la pared \(q_{w}\) se definen como las siguientes cantidades evaluadas en la pared \(\left( \text {es decir} z=0\right) ;\)

Las ecuaciones diferenciales parciales (1–4) con las condiciones iniciales y de contorno (5 y 6) no están dimensionalizadas utilizando las variables de similitud dadas en las Ecs. (11–13) a continuación;

y las ecuaciones adimensionales resultantes se muestran en las ecuaciones. (14)–(16) a continuación

con

donde los parámetros adimensionales se dan en las Ecs. (19)–(21) a continuación;

El sistema de Ecs. (14-16) con las condiciones de contorno se reformulan estableciendo

dar

con las condiciones iniciales en \(\eta =0;\)

y \(s_{1},s_{2},s_{3}\) se eligen para satisfacer las condiciones de contorno en \(\eta _{\infty }\);

Este sistema acoplado de ecuaciones diferenciales ordinarias es altamente no lineal y no puede resolverse analíticamente. Se puede utilizar el método semianalítico de soluciones, pero requieren mucho tiempo de cálculo43. Por lo tanto, los métodos numéricos proporcionan un enfoque más eficiente y económico desde el punto de vista computacional para encontrar las soluciones. La solución de las Ecs. (22)–(26) con la ecuación. (27) se encuentran numéricamente usando la función bvp4c en MATLAB con la tolerancia absoluta y relativa de \(10^{-8}\)43,44. Los resultados de esta investigación se verificaron comparándolos con los resultados de bvp5c y se muestran en la Tabla 1.

Los resultados asociados con la transferencia de calor en el flujo de nanofluidos híbridos a base de agua a lo largo de una placa giratoria y de estiramiento exponencial se discuten aquí. Las ecuaciones de gobierno se modelan con la presencia de la fuerza de Coriolis y MF. El estudio aclara la importancia de controlar numerosos factores somáticos en las ecuaciones de modelado mediante gráficos y tablas. Variación en el coeficiente de arrastre \(f''\left( 0\right)\) y \(g''\left( 0\right)\) y el número de Nusselt \(-\Theta '\left( 0\right) \) para diversos parámetros pertinentes se tabulan en la Tabla 2.

En la práctica, el aumento de M y K son consecuencias del aumento de la fuerza del campo magnético y de la rotación de la superficie, respectivamente. La presencia de un campo magnético alrededor del fluido conductor de electricidad tiende a oponerse al flujo, mientras que la rotación impulsa el flujo hacia adelante en la dirección del flujo. Aumentar los valores de M y K mejora \(f'\left( 0\right)\) pero se observa una tendencia contradictoria para los valores crecientes de fracción de volumen, R y \(\gamma .\) Además, un aumento en el volumen de nanopartículas fracción \(\phi\) aumenta la tasa de transferencia de calor \(-\Theta '\left( 0\right)\) pero se observa una tendencia conflictiva para valores crecientes de M, K, R y \(\gamma .\ ) Al aumentar la fracción de volumen de las nanopartículas, se mejora la conductividad térmica del nanofluido y, por lo tanto, aumenta el grosor de la capa límite térmica, lo que da como resultado una tasa creciente de transferencia de calor. La tasa de transferencia de calor térmico está sustancialmente influenciada por la radiación térmica. Cuando el volumen de nanopartículas crece, la tasa de transferencia de calor cae a medida que aumenta la radiación térmica.

Las figuras 2 y 3 están diseñadas para explorar el papel del parámetro de rotación K en los perfiles de velocidad primarios y secundarios. Aquí, para obtener la variación de los perfiles pertinentes los parámetros se mantienen fijos como \(M=2,\) \(\phi _{1}=\phi _{2}=0.01,\) \(Gr=2, \) \(Pr=6.9,\) \(R=2,\) y \(\gamma =\pi /6,\) mientras que los valores del parámetro de rotación \(K=0.001,0.5,1,1.5,2 \) es variado. La fuerza de Coriolis se vuelve más fuerte al aumentar los valores de K, lo que conduce a un aumento en el perfil de velocidad primaria. Además, el aumento del parámetro de rotación K provoca una disminución en el perfil de velocidad secundario. Todo esto se debe a la influencia significativa de la fuerza de Coriolis junto con la influencia del estiramiento. La fuerza de inercia responsable de la desviación de la trayectoria del flujo de líquido a lo largo de una superficie giratoria se conoce como fuerza de Coriolis y se vuelve más fuerte al elevar K, lo que conduce a un aumento en el perfil de velocidad primaria. Además, un mayor valor del parámetro de rotación K reduce el perfil de velocidad secundario. Físicamente, cuando K aumenta, los efectos de rotación tienen prioridad sobre los efectos de estiramiento, lo que reduce la velocidad del flujo. Todo esto se debe a la influencia significativa de la fuerza de Coriolis junto con la influencia del estiramiento.

Las Figuras 4 y 5 aclaran el apalancamiento de M en los perfiles de velocidad primario y secundario. Todos los parámetros se mantienen fijos como \(\phi _{1}=\phi _{2}=0.01,\) \(K=0.1,\) \(Gr=2,\) \(Pr=6.9,\) \(R=2,\) y \(\gamma =\pi /6\) mientras que el parámetro magnético \(M=0.001,0.5,1,1.5,2\) se varía para examinar su consecuencia en los campos de flujo. El aumento de M inhibe el flujo y, por lo tanto, provoca una reducción en los perfiles de velocidad. Se ha demostrado que la presencia de un MF en la región de flujo reduce la velocidad del flujo. La fuerza magnética agrega una capa de resistencia al flujo y lo ralentiza. La existencia de un MF transversal induce la fuerza de Lorentz, que actúa como una fuerza de retardo en el campo de velocidad del líquido base y las nanopartículas. Como resultado, como se ve en las figuras, esta fuerza de cuerpo negativa ralentiza el flujo de la capa límite e inhibe la difusión del impulso.

En las Figs. 6, 7 y 8 . Un aumento en los valores de \(\phi _{1}\) y \(\phi _{2}\) aumenta las velocidades primaria y secundaria pero disminuye los perfiles térmicos. Aquí, los parámetros se mantienen fijos como \(M=2,\) \(K=0.1,\) \(Gr=2,\) \(Pr=6.9,\) \(R=2,\) y \ (\gamma =\pi /6\) mientras que los valores de la fracción de volumen de nanopartículas \(\phi _{1}=\phi _{2}\) varían entre 0,01 y 0,005. El aumento de las fracciones de volumen sólido mejora el espesor de la capa límite. Como resultado, el fluido fluirá más rápido, lo que aumenta el perfil de velocidad primario y secundario. La adición de nanopartículas sólidas al fluido base disminuirá gradualmente la distribución térmica debido a la disminución del espesor de la capa límite relacionada. La figura 9 se representa para dilucidar la influencia de R en el perfil térmico. Aquí, los parámetros se mantienen fijos como \(M=2,\) \(K=0.1,\) \(Gr=2,\) \(Pr=6.9,\) \(\phi _{1}=\ phi _{2}=0.01,\) y \(\gamma =\pi /6\) mientras que los valores de R varían entre 1 y 6. El efecto de la radiación térmica aumenta el perfil de temperatura, como se ve en esta figura . La transmisión de calor por radiación es menos eficaz que el transporte de calor por conducción, lo que reduce la fuerza de flotabilidad. High R proporciona más calor a los nanofluidos funcionales, lo que indica un incremento en el perfil térmico. La variación es más gradual que cuando el parámetro de radiación está en un valor más bajo. Cuando el parámetro de radiación se establece en un valor más alto, el fluido se calienta más y más, lo que aumenta el perfil térmico. Las figuras 10 y 11 representan el cambio en el patrón de las velocidades de flujo primario y secundario por aumento en los valores del ángulo de inclinación de MF. Aquí, los parámetros se mantienen fijos como \(M=2,\) \(K=0.1,\) \(Gr=2,\) \(Pr=6.9,\) \(\phi _{1}=\ phi _{2}=0.01\) y \(R=2\) mientras que los valores de la fracción de volumen de nanopartículas \(\gamma\) varían entre \(30^{\circ }\) y \(90^{ \circ }\). La velocidad del flujo primario y secundario disminuye a medida que se inclina el ángulo de inclinación de MF en la región. El aumento del ángulo de inclinación de MF mejora los movimientos e interacciones moleculares, lo que da como resultado una mayor fuerza viscosa. Cuando aumenta la velocidad angular, se predice que la energía cinética promedio también crecerá. Esto hace que la velocidad del fluido disminuya gradualmente.

Variación de la velocidad primaria con la fuerza de Coriolis.

Variación de la velocidad secundaria con la fuerza de Coriolis.

Variación de la velocidad primaria con la fuerza MF.

Variación de la velocidad secundaria con la fuerza MF.

Velocidad primaria con \(\phi\).

Variación de velocidad secundaria con fracción volumétrica de nanopartículas.

Variación de temperatura con fracción volumétrica de nanopartículas.

Variación de la temperatura con la radiación térmica.

Variación de temperatura con ángulo de inclinación MF.

Variación de temperatura con ángulo de inclinación MF.

En este análisis se explora la transferencia de calor en el flujo de nanofluidos híbridos a base de agua sobre una placa giratoria que se estira exponencialmente. Las ecuaciones de gobierno se modelan en la ocurrencia de la fuerza de Coriolis y MF. Primero se lleva a cabo una reformulación de las ecuaciones gobernantes en sus formas adimensionales usando la transformación de similitud y las ecuaciones resultantes se resuelven usando el esquema de diferencias finitas. El estudio aclara los significados de controlar numerosos factores somáticos en las ecuaciones de modelado con gráficos y tablas. Los resultados más importantes de este estudio son:

El aumento en el parámetro de rotación da como resultado una fuerza de Coriolis más fuerte, lo que conduce a un aumento en el perfil de velocidad principal pero disminuye el perfil de velocidad secundario.

El aumento del parámetro MF disminuye el flujo en ambos perfiles de velocidad debido a la presencia de un MF transversal que genera la fuerza de Lorentz, que actúa como una fuerza inhibidora en el campo de velocidad.

El aumento en el ángulo de inclinación de MF en la región mejora los movimientos e interacciones moleculares, lo que resulta en una mayor fuerza viscosa como resultado de la disminución de la velocidad del flujo primario y secundario.

La escalada en los valores del parámetro de radiación proporciona más calor a los nanofluidos funcionales, lo que aumenta la transferencia de calor.

El aumento de los parámetros de fuerza y ​​rotación de MF mejora la tendencia de conflicto del coeficiente de fricción de la piel que se observa para valores crecientes de fracción de volumen, parámetro de radiación y ángulo de inclinación de MF.

El aumento en los valores de la fracción de volumen mejora la tasa de transferencia de calor, pero se observa lo contrario para los valores crecientes del ángulo de inclinación de MF, la fuerza de MF, la rotación y los parámetros de radiación.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Fuerza del campo magnético \(\left( \mathrm{A\, L}^{-1}\right)\)

Capacidad calorífica específica \(\left( \mathrm{J\;kg}^{-1}\, \mathrm{K}^{-1}\right)\)

Aceleración debida a la gravedad \(\left( \mathrm{L \,T}^{-2}\right)\)

Número Grashof

Conductividad térmica \(\left( \mathrm{M\,L\,T}^{-3}\, \mathrm{K}^{-1}\right)\)

Coeficiente de absorción medio \(\left( \mathrm{L}^{-1}\right)\)

Parámetro de rotación

Parámetro de campo magnético

Campo magnético

Número de Prandtl

Parámetro de radiación térmica

Temperatura dimensional del fluido \(\left( \mathrm{K}\right)\)

Coordenadas cartesianas espacio 3D \(\left( \mathrm L\right)\)

Componente de velocidad en las direcciones \(x,y,z\text {-}\)\(\left( \mathrm{L\,T}^{-1}\right)\)

Viscosidad cinemática \(\left( \mathrm{L}^{2}\,\mathrm{T}^{-1}\right)\)

Constante de Stefan-Boltzmann \(\left( \mathrm{W}\;\mathrm{L}^{-2} \mathrm{K}^{-4}\right)\)

Conductividad eléctrica \(\left( \mathrm{M}^{-1} \,\mathrm{L}^{-3} \mathrm{T}^{3}A^{2}\right)\)

Difusividad térmica \(\left( \mathrm{L}^{2}\, \mathrm{T}^{-1}\right)\)

Densidad \(\left( \mathrm{M}\, \mathrm{L}^{-3}\right)\)

Viscosidad \(\left( \mathrm{M}\, \mathrm{L}^{-1}\, \mathrm{T}^{-1}\right)\)

Velocidad angular de la superficie \(\left( \mathrm{T}^{-1}\right)\)

Ángulo de inclinación del campo magnético

Fracción total de volumen de nanopartículas

Fracción de volumen

Coeficiente de expansión térmica \(\left( \mathrm{K}^{-1}\right)\)

fluido base

Nanofluido híbrido

Pared de superficie

Con nanopartículas

Al\(_{2}\mathrm{O}_{3}\) nanopartículas

Corriente libre

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como bien

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AS Oke, WN Mutuku y BA Juma

Departamento de Estudios e Investigación en Matemáticas, Universidad de Davangere, Davangere, India

BC Prasannakumara, RJ Punith Gowda y R. Naveen Kumar

Departamento de Matemáticas, Universidad de Benin, Ciudad de Benin, Nigeria

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Conceptualización: ASO, BCP, WNM Metodología: ASO, RJPG, RNK Simulación: ASO, BAJ, OIB Redacción (preparación borrador original): BCP, RJPG, RNK Redacción-revisión y edición: ASO, BCP, WNM, RJPG, BAJ, RNK , OIB Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a AS Oke.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Oke, AS, Prasannakumara, BC, Mutuku, WN et al. Exploración de los efectos de la fuerza de Coriolis y la radiación térmica en el flujo de nanofluidos híbridos a base de agua sobre una placa que se estira exponencialmente. Informe científico 12, 21733 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21799-9

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Recibido: 12 junio 2022

Aceptado: 04 de octubre de 2022

Publicado: 16 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21799-9

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