DOI: https://doi.org/10.56578/jcmes010104
تاريخ النشر: 2026-03-26
المؤلف: Mina Mirparizi
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد تغيير الطور
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة سلوك التصلب لمواد تغيير الطور المعززة بالسوائل النانوية الهجينة (NEPCM) داخل حاويات تتميز بهياكل مسامية، مع التركيز على التفاعل بين إضافة الجسيمات النانوية، والوسائط المسامية، والإشعاع الحراري. باستخدام إطار عددي يعتمد على طريقة غاليركين مع شبكة متكيفة، تكشف الأبحاث أن إدخال الجسيمات النانوية الهجينة يمكن أن يقلل من وقت التجميد بحوالي 7.81% في غياب الوسائط المسامية والإشعاع. كما أن دمج التأثيرات الإشعاعية يسرع من عملية التصلب، محققًا تخفيضات تصل إلى 32.62% في التكوينات غير المسامية. ومن الجدير بالذكر أنه عند دمج العوامل الثلاثة، يتم ملاحظة تحسينات كبيرة في معدلات التصلب، مما يبرز التفاعلات المعقدة بين التوصيل، والإشعاع، وآليات النقل المسامي.
تشير النتائج إلى أن الوسائط المسامية تلعب دورًا حاسمًا في تعزيز نقل الحرارة بالتوصيل، مما يؤدي إلى تقليل كبير في إجمالي وقت التصلب – يصل إلى 87.27% في ظل الظروف المثلى (γ = 0.9، ϕ = 0.02، Rd = 0.9). بينما يساهم الإشعاع الحراري في عملية استخراج الحرارة بشكل عام، فإن تأثيره يكون أقل وضوحًا في وجود الهياكل المسامية. وتخلص الدراسة إلى أن أداء أنظمة تخزين الحرارة ذات تغيير الطور يتأثر بشكل كبير بالتأثيرات المنسقة لهذه الآليات، مما يشير إلى أن تحسين تفاعلها يمكن أن يعزز بشكل فعال كفاءة تخزين الطاقة الحرارية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية تخزين الطاقة الحرارية الكامنة باستخدام مواد تغيير الطور (PCMs) لتنظيم نقل الحرارة بشكل فعال، خاصة في الأنظمة المعتمدة على مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة. تُقدَّر مواد تغيير الطور لقدرتها على امتصاص وإطلاق الطاقة الحرارية خلال التحولات الطورية ضمن نطاق درجة حرارة ضيق، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب إدارة حرارية مستقرة. ومع ذلك، فإن إحدى القيود الملحوظة لأنظمة مواد تغيير الطور هي توصيلها الحراري المنخفض، مما يعيق معدلات شحن الطاقة وتفريغها. لمعالجة هذه المشكلة، تم تطوير تقنيات تعزيز مختلفة، بما في ذلك التعديلات الهندسية، والأسطح الممتدة، والهياكل المسامية، وإدخال الإضافات النانوية، جميعها تهدف إلى تحسين نقل الحرارة خلال التغيرات الطورية.
تسلط الورقة الضوء على الدراسات السابقة التي استكشفت التأثيرات الفردية لهذه التقنيات المعززة على أداء مواد تغيير الطور. على سبيل المثال، درس ياججي وآخرون سلوك تغيير الطور لمواد تغيير الطور مع أشكال زعانف مختلفة، بينما بحث شيخو السلمي تأثير الجسيمات النانوية على سلوك البارافين في أنظمة تهوية الهواء. ركزت دراسات أخرى، مثل تلك التي أجراها زانغ وآخرون وأجير وكانلي، على استخدام الوسائط المسامية والزعانف لتحسين عمليات الانصهار. على الرغم من هذه التقدمات، تشير الورقة إلى وجود فجوة في البحث فيما يتعلق بالتأثيرات المجمعة لهذه التقنيات جنبًا إلى جنب مع نقل الحرارة الإشعاعي ضمن نموذج تصلب موحد. تهدف الدراسة الحالية إلى سد هذه الفجوة من خلال التحقيق في عملية التصلب في حاويات تخزين تغيير الطور ذات الجدران الدائرية والمربعة، مع مراعاة تفاعلات الجسيمات النانوية الهجينة، والوسائط المسامية، والإشعاع الحراري، والتبريد المدعوم بالزعانف. تستخدم الأبحاث نهجًا متعدد الفيزياء لتحليل كيفية تأثير هذه العوامل بشكل جماعي على سلوك التجميد لمواد تغيير الطور، باستخدام طرق عددية لتقييم تأثير التعديلات المادية والتحسينات الهيكلية على أداء تخزين الطاقة الحرارية.
النتائج
تستكشف نتائج هذه الدراسة عملية التجميد داخل خزانات تتميز بجدران دائرية ومربعة، باستخدام نهج غاليركين وتقنيات تعديل الشبكة. تؤكد الأبحاث على دور مادة نانوية هجينة في حالتها السائلة، حيث يتم تسهيل الانتقال من السائل إلى الصلب بواسطة جدار دائري بارد في قاعدة الخزان. تعزز الإضافة الاستراتيجية للزعانف إلى الجدار الدائري من اختراق الطاقة الباردة، بينما يسرع إدخال الإضافات والرغوة المسامية بشكل كبير من معدلات التجميد. تم تبسيط المعادلات الحاكمة من خلال إزالة مصطلحات السرعة، مع التركيز على مصطلحات المصدر العابرة لنمذجة الطبيعة الزمنية للتجميد بشكل فعال.
تكشف النتائج الرئيسية أن الجمع بين ثلاث تقنيات – تعديل تركيز الجسيمات النانوية ($\phi$)، وضبط معامل التوصيل الحراري ($\gamma$)، وإدخال وضع الإشعاع ($R_d$) – يحسن بشكل كبير من عملية التجميد. ومن الجدير بالذكر أن زيادة $\phi$ تعزز القوة الدافعة للتجميد، مما يؤدي إلى تقليل وقت التصلب من 9810 ثوانٍ إلى حوالي 789 ثانية عند استخدام جميع التقنيات. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط انخفاض $\gamma$ بمعدلات تجميد أسرع، بينما يعزز وجود وضع الإشعاع من إطلاق الحرارة ويسرع من حركة جبهة الجليد. وتخلص الدراسة إلى أن التطبيق المتزامن لهذه الطرق يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في كفاءة التجميد، مما يبرز أهمية تفاعلات المعلمات في ديناميات تغيير الطور.
المناقشة
تقدم قسم المناقشة في الورقة صياغة رياضية شاملة لعملية التصلب في مواد تغيير الطور المعززة بالمواد النانوية المسامية (NEPCM). يدمج النموذج التوصيل، وتحويل الطور، والإشعاع، وظواهر النقل ضمن مجال مسامي، مع التركيز بشكل خاص على الحاويات ذات الجدران الدائرية والمربعة. تبدأ عملية التجميد بواسطة جدار دائري بارد، وتعمل إضافة الزعانف على تعزيز انتشار الطاقة الباردة. تأخذ المعادلات الحاكمة، المستمدة باستخدام طريقة غاليركين وتعديل الشبكة، في الاعتبار مصطلحات المصدر العابرة مع تجاهل مساهمات السرعة، مما يؤدي إلى نموذج مبسط يلتقط الديناميات الأساسية للتصلب.
تسلط النتائج الضوء على التأثير الكبير للرغوة المسامية على عملية التصلب، حيث تُظهر أنها تعزز بشكل ملحوظ نقل الحرارة بالتوصيل وتقلل من وقت التجميد بحوالي 87.27% في ظل الظروف المثلى. بينما يساهم الإشعاع الحراري أيضًا في استخراج الحرارة، فإن تأثيره يكون أقل وضوحًا مقارنة بالتوصيل عبر المصفوفة المسامية. كما أن إضافة الجسيمات النانوية، التي تحسن من التوصيل الحراري الفعال، تقلل أيضًا من وقت التجميد بحوالي 7.81% في التكوينات التي تفتقر إلى الوسائط المسامية والإشعاع. ومع ذلك، في الأنظمة التي تتواجد فيها هذه الآليات، يتضاءل تأثير الجسيمات النانوية، مما يبرز التفاعل المعقد بين آليات نقل الحرارة المتعددة في أنظمة تخزين الحرارة ذات تغيير الطور. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية تحسين هذه التفاعلات لتعزيز كفاءة التصلب.
DOI: https://doi.org/10.56578/jcmes010104
Publication Date: 2026-03-26
Author(s): Mina Mirparizi
Primary Topic: Phase Change Materials Research
Overview
This study explores the solidification behavior of hybrid nanofluid-enhanced phase change materials (NEPCM) within enclosures featuring porous structures, focusing on the interplay of nanoparticle addition, porous media, and thermal radiation. Utilizing a numerical framework based on the Galerkin method with adaptive meshing, the research reveals that the introduction of hybrid nanoparticles can reduce freezing time by approximately 7.81% in the absence of porous media and radiation. The incorporation of radiative effects further accelerates solidification, achieving reductions of up to 32.62% in non-porous configurations. Notably, when all three factors are combined, significant improvements in solidification rates are observed, underscoring the complex interactions among conduction, radiation, and porous transport mechanisms.
The findings indicate that porous media play a critical role in enhancing conductive heat transfer, leading to a substantial reduction in total solidification time—up to 87.27% under optimal conditions (γ = 0.9, ϕ = 0.02, Rd = 0.9). While thermal radiation contributes to the overall heat extraction process, its impact is less pronounced in the presence of porous structures. The study concludes that the performance of phase-change thermal storage systems is significantly influenced by the coordinated effects of these mechanisms, suggesting that optimizing their interaction can effectively enhance thermal energy storage efficiency.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of latent heat thermal energy storage utilizing phase change materials (PCMs) for effective heat transfer regulation, particularly in systems reliant on intermittent renewable energy sources. PCMs are valued for their ability to absorb and release thermal energy during phase transitions within a narrow temperature range, making them ideal for applications requiring stable thermal management. However, a notable limitation of PCM systems is their low thermal conductivity, which hampers the rates of energy charging and discharging. To address this issue, various enhancement techniques have been developed, including geometric modifications, extended surfaces, porous structures, and the incorporation of nanoadditives, all aimed at improving heat transfer during phase changes.
The paper highlights previous studies that have explored the individual effects of these enhancement techniques on PCM performance. For instance, Yagci et al. examined the phase change behavior of PCM with different fin geometries, while Sheikholeslami investigated the impact of nanoparticles on paraffin behavior in air ventilation systems. Other studies, such as those by Zhang et al. and Acır and Canlı, focused on the use of porous media and fins to improve melting processes. Despite these advancements, the paper notes a gap in research regarding the combined effects of these techniques alongside radiative heat transfer within a unified solidification model. The current study aims to fill this gap by investigating the solidification process in phase-change storage enclosures with circular and square walls, considering the interactions of hybrid nanoparticles, porous media, thermal radiation, and fin-assisted cooling. The research employs a multiphysics approach to analyze how these factors collectively influence the freezing behavior of PCMs, utilizing numerical methods to assess the impact of material modifications and structural enhancements on thermal energy storage performance.
Results
The results of this study investigate the freezing process within tanks characterized by circular and square walls, utilizing a Galerkin approach and mesh adaptation techniques. The research emphasizes the role of a hybrid nanomaterial in its liquid phase, where the transition from liquid to solid is facilitated by a cold circular wall at the tank’s base. The strategic addition of fins to the circular wall enhances cold energy penetration, while the incorporation of additives and porous foam significantly accelerates freezing rates. The governing equations were simplified by eliminating velocity terms, focusing on transient source terms to model the time-dependent nature of freezing effectively.
Key findings reveal that the combination of three techniques—modifying the nanoparticle concentration ($\phi$), adjusting the thermal conductivity parameter ($\gamma$), and incorporating radiation mode ($R_d$)—substantially optimizes the freezing process. Notably, increasing $\phi$ strengthens the driving force for freezing, leading to a reduction in solidification time from 9810 seconds to approximately 789 seconds when all techniques are employed. Additionally, a decrease in $\gamma$ correlates with faster freezing rates, while the presence of radiation mode enhances heat release and accelerates the ice front movement. The study concludes that the simultaneous application of these methods can lead to significant improvements in freezing efficiency, highlighting the importance of parameter interactions in phase change dynamics.
Discussion
The discussion section of the paper presents a comprehensive mathematical formulation of the solidification process in porous nanomaterial-enhanced phase change materials (NEPCM). The model integrates conduction, phase transformation, radiation, and transport phenomena within a porous domain, specifically focusing on enclosures with circular and square walls. The freezing process is initiated by a cold circular wall, and the introduction of fins enhances cold energy diffusion. The governing equations, derived using the Galerkin method and mesh adaptation, account for transient source terms while neglecting velocity contributions, leading to a simplified model that captures the essential dynamics of solidification.
The findings highlight the significant impact of porous foam on the solidification process, demonstrating that it markedly enhances conductive heat transfer and reduces freezing time by approximately 87.27% under optimal conditions. While thermal radiation also contributes to heat extraction, its effect is less pronounced compared to conduction through the porous matrix. The addition of nanoparticles, which improves effective thermal conductivity, further reduces freezing time by about 7.81% in configurations lacking porous media and radiation. However, in systems where these mechanisms are present, the influence of nanoparticles diminishes, underscoring the complex interplay of multiple heat transfer mechanisms in phase-change thermal storage systems. Overall, the study emphasizes the importance of optimizing these interactions to enhance solidification efficiency.