Numerical Analysis and Optimization of Multiphase Nanofluid Flows Under Magnetic and Rotational Effects for Thermal Performance Enhancement Usman Afzal

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global energy challenges are increasingly influenced by rising power demand, fossil fuel dependency, and the urgent need to reduce greenhouse gas emissions. Modern engineering systems aim to improve thermal performance through advanced fluid modeling, especially within energy, transportation, and industrial sectors. The aim of this work is to investigate the thermal and fluid transport characteristics of multiphase systems specifically nanofluids, dusty fluids, and hybrid fluid configurations under the influence of magnetic fields, porous media, and external forcing mechanisms. The study focuses on how various physical parameters affect velocity, temperature, and mass transfer behavior in complex flow environments. The significance of this research lies in its contribution to improving the efficiency of heat transfer in engineering systems by analyzing the effects of particle fluid interaction, buoyancy forces, Reynold number, rotational Reynold number and magnetohydrodynamic (MHD) influences. A detailed numerical and computational study is conducted on heat and mass transfer in nanofluids and dusty nanofluids using MATLAB based solvers and COMSOL Multiphysics simulations.
The investigation starts by focusing on the effects of inclined buoyancy forces on nano- and dusty-fluid flow within a porous medium. Key findings reveal that higher Grashof numbers enhance fluid motion while reducing thermal efficiency. The magnetic field and porous structure significantly influence velocity and temperature distributions. Dusty fluids, containing suspended solid particles, show noticeable changes in thermal and momentum transport, the presence of dust particles increases resistance within the flow and modifies the boundary layer structure.
The investigation then shifts to analyzing the Riga-plate configuration, where the combined behavior of dusty and nano-fluids is evaluated under MHD effects. The governing nonlinear ordinary differential equations (ODEs), derived via similarity transformations, are numerically solved using MATLAB’s BVP4C solver. Response Surface Methodology (RSM) is employed to identify optimal thermal conditions and assess the parametric sensitivity of the system. Results indicate that increased dust-volume fractions enhance heat transfer, while the Hartmann number and porosity have a notable influence on fluid velocity and temperature gradients.
Furthermore, the research investigates the hydrothermal characteristics of cu water nanofluid within a vented square cavity equipped with rotating cylinders, analyzed through COMSOL Multiphysics using the finite element method (FEM). Various configurations of one to five rotating cylinders are examined to understand the effects of the rotational Reynolds number , nanoparticle volume fraction , on heat transfer and flow circulation. The results reveal that counter-rotating cylinder arrangements generate stronger vortices and higher convective circulation, leading to enhanced Nusselt numbers compared to co-rotating or stationary cases. Increasing promotes vigorous thermal mixing and thinner thermal boundary layers, improving overall heat transfer efficiency. This study provides valuable insight into the optimization of cavity based cooling systems such as electronic component cooling, heat exchangers, and solar energy storage units highlighting the potential of active rotational control for advanced thermal management.

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 에너지 문제는 전력 수요의 증가, 화석 연료 의존도, 그리고 온실가스 배출을 줄여야 하는 시급한 필요성으로 인해 점점 더 심각해지고 있다. 현대 공학 시스템은 특히 에너지, 수송, 그리고 산업 분야에서 고급 유체 모델링을 통해 열 성능을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다. 본 연구의 목적은 자기장, 다공성 매질, 외력 조건의 영향을 받는 다상 유체(나노유체, 먼지유체, 하이브리드 유체)의 열 및 유동 전달 특성을 규명하는 것이다. 본 연구는 다양한 물리적 매개변수가 복잡한 유동 환경에서 속도, 온도, 질량전달 거동에 미치는 영향을 분석하는 데 초점을 맞춘다. 입자–유체 상호작용, 부력, 자기유체역학(MHD) 효과를 분석함으로써 공학적 열전달 효율 향상에 기여하는 것이 본 연구의 의의이다. MATLAB 기반 수치 해석기와 COMSOL Multiphysics 시뮬레이션을 활용하여 나노유체 및 먼지 나노유체의 열 및 질량전달 특성을 상세히 연구하였다.

연구의 첫 번째 부분에서는 **다공성 매질 내에서 기울어진 부력(inclined buoyancy force)**이 나노 및 먼지 유체의 흐름에 미치는 영향을 분석하였다. 주요 결과에 따르면 Grashof 수가 증가함에 따라 유체의 운동이 강화되지만 열효율은 감소하는 경향을 보였다. 자기장과 다공성 구조는 속도 및 온도 분포에 큰 영향을 미쳤으며, 고체 입자가 포함된 먼지 유체는 열 및 운동량 전달에서 뚜렷한 변화를 나타냈다. 먼지 입자의 존재는 유동 내부의 저항을 증가시키고 경계층 구조를 변화시켰다.

두 번째 단계에서는 리가(Riga) 판 구성에서 먼지–나노유체의 결합 거동을 분석하였다. 유도된 비선형 상사 변환 방정식은 MATLAB의 BVP4C 수치 해석기를 이용해 계산하였으며, **반응표면법(Response Surface Methodology, RSM)**을 통해 열적 조건의 최적화와 매개변수 민감도 분석을 수행하였다. 결과적으로 먼지 입자 부피분율이 증가할수록 열전달이 향상되었으며, 하트만 수(Hartmann number)와 다공성 매개변수가 유동 속도 및 온도 구배에 중요한 영향을 미쳤다.

마지막으로, 회전 실린더가 장착된 통풍형 정사각 캐비티(vented square cavity) 내 Cu–물 나노유체의 열유체적(hydrothermal) 특성을 유한요소법(FEM) 기반 COMSOL Multiphysics를 이용하여 해석하였다. 1개에서 5개의 회전 실린더 구성을 고려하여 회전 레이놀즈 수(Reω), 나노입자 체적분율(ϕ), 회전 방향이 열전달 및 유동 순환에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로, 반회전(counter-rotating) 실린더 배열은 동회전(co-rotating) 또는 정지 상태보다 더 강한 와류와 높은 대류 순환을 형성하여 Nusselt 수를 증가시켰다. 또한 Reω가 증가함에 따라 열혼합이 활발해지고 열경계층이 얇아져 전체적인 열전달 효율이 향상되었다. 본 연구는 전자 냉각 시스템, 열교환기, 태양열 저장 장치 등 캐비티 기반 냉각 시스템의 최적화 설계에 유용한 통찰을 제공하며, 회전 제어를 통한 능동적 열관리 기술의 발전 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT
• CHAPTER 1 Introduction 1
• 1. Background 1
• 1.1 Motivation and Problem Definition 3
• 1.2 Problem Statement 4
• 1.3 Objectives of the Study 6
• 1.4 Scope and Limitations 7
• 1.5 Research Significance and Contributions 8
• 1.6 Basic Definations 12
• 1.7 Constitutie Equations 13
• 1.8 Dimensionless Parameters 16
• 1.9 Thesis Structure 17
• CHAPTER 2 Methodology 17
• 2.1 Boundary Value Problem 4th Order Collocation (BVP4C) 17
• 2.2 Response Surface Methodology (RSM) 21
• 2.2 Finite Element Method (FEM) 22
• CHAPTER 3 Magnetohydrodynamics Heat Transfer Rate Under Inclined Buoyancy
• Force for Nano and Dusty Fluids: Response Surface Optimization For the Thermal
• Transport 28
• 3.1 Overview 28
• 3.2 Introduction 29
• 3.3 Mathematical Model 33
• 3.3.1 Numerical Scheme 36
• 3.4 Result and Discussion 41
• 3.4.1 Response Surface Methodology (RSM) 46
• 3.4.2 RSM, Optimization Outcomes 47
• 3.4.3 RSM, Graphical Analysis 52
• 3.5 Conclusion 64
• CHAPTER 4 Optimization of Heat Transfer Rate in Dusty Fluid Flow Over a Stretching
• Riga Sheet Using Response Surface Methodology: Application to Industrial Coating
• Processes 66
• 4.1 Overview 66
• 4.2 Mathematical Model 67
• 4.3 Result and Discussion 72
• 4.3.1 RSM, Graphical Analysis 81
• 4.5 Conclusion 91
• CHAPTER 5 Impact of Rotating Cylinder Configurations on Cu- Water Nanofluid Heat
• Transfer in a Vented Cavity: A Comsol Multiphysics Base Study 96
• 5.1 Overview 96
• 5.2 Introduction 97
• 5.3 Mathematical Formulation: 101
• 5.4 Result and Discussion 106
• 5.5 Conclusion 132
• CHAPTER 6 Conclusions and Future Work 138
• 6.1 Conclusions 138
• 6.2 Limitations 141
• 6.3 Future Directions 142
• Nomenclature 142
• BIBLIOGRAPHY 147
• 국문초록 166
• DEDICATION 170
• ACKNOWLEDGMENTS 171