Analytical Thermo-Hydrodynamic Evaluation of Nanolubricant Properties in Laminar Slider-Bearing Flows

Abstract

This Master's dissertation presents an analytical thermo-hydrodynamic evaluation of nanolubricant performance in laminar lubrication flows within an inclined slider bearing. The study aims to assess whether the addition of nanoparticles to a conventional SAE10 mineral oil can improve bearing performance while minimizing frictional and thermal penalties. Three oxide nanoparticles were investigated: aluminum oxide (Al₂O₃), copper oxide (CuO), and titanium dioxide (TiO₂), at volume concentrations ranging from 0 to 4 vol.%, with a reference concentration of 2.0 vol.% used for the parametric analyses. The nanolubricants were modeled as homogeneous single-phase effective fluids, and their effective properties (viscosity, density, specific heat, and thermal conductivity) were determined as functions of nanoparticle type and concentration. The main quantitative results under fixed-load operating conditions (W = 3000 N, N = 3000 rpm, φ = 2.0 vol.%) revealed that the minimum film thickness increased by 8.5%, 12.2%, and 15.8% for Al₂O₃, CuO, and TiO₂, respectively, compared with the base oil (h₂ = 7.26 μm). However, the friction force increased by 7.1%, 10.8%, and 14.2%, respectively. In addition, the bulk outlet temperature rise (ΔT₍b₎) increased from 8.5°C for the base oil to 9.1°C, 9.5°C, and 9.8°C for Al₂O₃, CuO, and TiO₂, respectively. The results indicate that TiO₂ nanoparticles provide the greatest improvement in film thickness but also generate the highest energy and thermal penalties. In contrast, Al₂O₃ offers the most balanced overall performance, with a moderate film-thickness enhancement (8.5%) and the lowest increase in friction force (7.1%), making it the most suitable nanoparticle under the investigated operating conditions. The study demonstrates that nanolubricants should be evaluated through a comprehensive thermo-hydrodynamic analysis, as improved thermal conductivity alone is insufficient to offset the additional heat generated by viscosity-induced frictional effects. تقدم هذه المذكرة لنيل شهادة الماستر تقييماً تحليلياً حرارياً-هيدروديناميكياً لأداء المزلقات النانوية في جريانات التزييت الصفحية داخل محمل منزلق مائل. تهدف الدراسة إلى تقييم ما إذا كانت إضافة الجسيمات النانوية إلى زيت معدني تقليدي (SAE10) يمكن أن تحسن أداء المحمل مع الحد من العقوبات الاحتكاكية والحرارية. تم دراسة ثلاث جسيمات نانوية أكسيدية هي: أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، وأكسيد النحاس (CuO)، وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) بتراكيز حجمية تتراوح من 0 إلى 4% حجم، مع تركيز مرجعي 2.0% حجم للدراسات البارامترية. تم نمذجة المزلقات النانوية كموائع فعالة متجانسة أحادية الطور، حيث تم حساب الخصائص الفعالة (اللزوجة، الكثافة، الحرارة النوعية، والتوصيل الحراري) كدوال في نوع الجسيم وتركيزه. النتائج الكمية الرئيسية عند ظروف الحمل الثابت (W = 3000 N، N = 3000 rpm، φ = 2.0% حجم) كشفت أن الحد الأدنى لسماكة الغشاء يزداد بنسب 8.5%، 12.2%، و 15.8% لـ Al₂O₃، CuO، و TiO₂ على التوالي مقارنة بالزيت الأساسي (h₂ = 7.26 μm). بينما تزداد قوة الاحتكاك بنسب 7.1%، 10.8%، و 14.2% على التوالي. كما يرتفع متوسط درجة حرارة المخرج (ΔT_b) من 8.5°C للزيت الأساسي إلى 9.1°C، 9.5°C، و 9.8°C للجسيمات الثلاثة على التوالي. أظهرت النتائج أن جسيمات TiO₂ توفر أعلى تحسن في سمك الفيلم ولكنها تسبب أكبر العقوبات الطاقوية والحرارية، بينما يقدم Al₂O₃ الأداء الأكثر توازناً مع تحسن معتدل في السمك (8.5%) وأقل زيادة في قوة الاحتكاك (7.1%)، مما يجعله الخيار الأفضل في ظل الظروف المدروسة. تؤكد الدراسة أن المزلقات النانوية يجب تقييمها من خلال تحليل حراري-هيدروديناميكي كامل، حيث أن تحسين التوصيل الحراري وحده لا يكفي لتعويض الحرارة الإضافية الناتجة عن زيادة اللزوجة.