0

هم زمان با تحقیق و توسعه مواد با قدرت تحمل دماهای بالا، باید از روش های خنک کاری موثر نیز استفاده کرد تا حداکثر راندمان و قدرت خروجی از توربین به دست آید. یکی از روش های متداول برای محافظت پره توربین از گازهای داغ مجاور، خنک کاری لایه ای است. در پایان نامه حاضر، تحلیل عددی میدان جریان و انتقال حرارت خنک کاری لایه ای بر روی دو هندسه صاف و پره توربین توسط نرم افزار فلوئنت انجام شده و از این طریق کارایی مدل های آشفتگی رینولدز پایین مورد ازریابی قرار گرفته است. پره مورد نظر یک پره توربین متقارن سه بعدی بوده که از طریق یک ردیف سوراخ تزریق استوانه ای در نزدیکی لبه حمله، خنک کاری می شود. این شبیه سازی با استفاده از مدل های آشفتگی رینولدز پایین (akn)، (chc)، (ls) و مدل k-? استاندارد، با هدف محاسبه توزیع دما و تخمین اثر بخشی خنک کاری لایه ای صورت گرفته است. نتایج عددی تحقیق حاضر در سه نسبت دمش 0.3، 0.5 و 0.7 با مقادیر تجربی و عددی موجود مقایسه شده است. مقایسه نتایج به دست آمده نشان می دهد که مدل های k-? رینولدز پایین از نظرتوزیع اثر بخشی آدیاباتیک جانبی بر روی سطح پره نتایج قابل قبولی به ویژه در نواحی پایین دست جریان ارائه می دهند.

در روش های متداول احیای مستقیم اکسیدهای آهن از گازهای هیدروژن و منوکسیدکربن به عنوان عوامل احیا کننده استفاده می شود. این گازها در رفرمر و از اکسایش جزئی گاز طبیعی در حضور گرما و کاتالیزور تولید می شوند. حال اگر در کوره ی احیا به طور مستقیم از گاز متان به عنوان عامل احیا کننده استفاده شود، این امر موجب حذف رفرمر و هزینه های مربوط به آن گشته که موجب صرفه جویی در هزینه های فرایند احیا می گردد. بدین معنا که متان وارد کوره ی احیا شده و در کوره در معرض تجزیه و تبدیل قرار گیرد و گونه های احیا کننده شامل هیدروژن و منوکسیدکربن را تولید کند. بر این اساس، این پایان نامه به مدلسازی ریاضی احیای مستقیم اکسیدهای آهن توسط گاز متان می پردازد. مدل ریاضی توسعه داده شده، مدلی همدما و ناپایا در مقایس گندله می باشد که با استخراج معادلات حاکم و حل عددی آن ها به دست آمده است. معادلات حاکم شامل معادله ی نرخ تجزیه ی متان، معادلات بقای جرم، معادله ی بقای انرژی و معادله ی نرخ احیا می باشند. حل عددی معادلات حاکم به روش حجم محدود و به صورت کاملاً ضمنی انجام گرفته است. برای اعتبارسنجی مدل از نتایج آزمایش های انجام شده در کارهای قبلی استفاده شده که مطابقت خوبی مشاهده می شود. همچنین به عنوان مرجع دیگری برای اعتبارسنجی مدل، آزمایشی از احیای هماتیت توسط گاز متان به انجام رسیده است. در پایان نیز نتایج مدل و تأثیر برخی از پارامترهای موثر فرایند احیا مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

لوله گردبادی وسیله ای است که بدون قسمت متحرک هوای ورودی با فشار را به دو هوای خروجی که یکی گرمتر و دیگری سردتر از هوای ورودی است تبدیل می کند. هدف از اجرای این پایان نامه بررسی احنای لوله گردبادی است که با نرم افزار فلوئنت مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. با توجه به بالا بودن دامنه سرعت از مدل اغتشاشی rng k-epsilon برای مدلسازی اغتشاش استفاده سده است و در نهایت داده های عددی با نتایج آزمایشگاهی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.

با توجه به گسترش روز افزون آلودگی منابع آب زیرزمینی، در این تحقیق به بررسی پخش مواد آلاینده همراه جریان آب در محیط های متخلخل پرداخته شده است. بدین منظور معادلات پیوستگی و مومنتوم و انتقال جرم در این محیط استخراج شد که معادله مومنتوم در محیط متخلخل به صورت تعمیم یافته معادله ناویر- استوکس همراه با ترم های دارسی، فورچهایمر و برینکمن در نظر گرفته شده است. گسسته سازی معادلات با روش حجم محدود انجام گردیده و برای حل معادلات و بدست آوردن سرعت و فشار از الگوریتم حل توام سرعت-فشار موسوم به سیمپل و از شبکه های همجا استفاده شده است. به منظور معتبرسازی نتایج مدل عددی توسعه داده شده در نرم افزار فرترن، از نتایج آزمایشگاهی استفاده شد که تطابق خوبی بین مدلسازی عددی و آزمایشگاهی مشاهده گردید. پس از معتبر سازی کد به بررسی پارامترهای موثر بر پخش آلودگی در محیط متخلخل پرداخته شد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که در ضریب پخش های بالا پدیده پخش غلبه داشته و دامنه وسیعی از ناحیه را آلودگی فراگرفته است. کاهش ضریب تخلخل موجب کاهش انتقال آلودگی گردیده و افزایش سرعت موجب افزایش پدیده انتقال آلاینده گشته اما دامنه ابر آلودگی را کاهش داده است.

در این پایان نامه با توجه به اهمیت مدلسازی ریاضی در شناخت و بهینه کردن فرآیند های رخ داده درون کوره بلند به مدلسازی ریاضی احیا سنگ آهن درون ناحیه احیا کوره بلند پرداخته می شود. در این مدلسازی کوره بلند به عنوان یک راکتور بستر پر شده متحرک جریان مخالف در حالت پایدار در نظر گرفته می شود. با توجه به پیچیدگی معادلات حاکم ابتدا مدل یک بعدی و در ادامه مدل دو بعدی مورد بررسی قرار می گیرد. در مدلسازی دو بعدی هندسه کوره به صورت متقارن محوری در نظر گرفته شده است و معادلات بقای جرم و مومنتوم و انرژی و بقای گونه-های شیمیایی برای دو فاز گاز و جامد موجود در کوره استخراج شده است. معادله مومنتوم در محیط متخلخل به صورت تعمیم یافته معادله ناویر- استوکس همراه با ترم های دارسی، فورچهایمر در نظر گرفته شده است. برای شبیه سازی فرآیند احیا در مقیاس گندله از یک مدل سه فصل مشترکی با هسته واکنش نداده که به صورت همزمان هماتیت به ماگنتیت و ماگنتیت به وستیت و وستیت به آهن تبدیل می شود استفاده گردید. برای حل همزمان سرعت و فشار جریان گاز از روش تابع جریان استفاده می گردد. همچنین معادلات حاکم به روش حجم محدود بر روی شبکه همجا گسسته سازی شده است. نتایج بدست آمده با نتایج موجود در ادبیات کار مورد ارزیابی قرار گرفت و مشخص شد که مدل از دقت کافی در پیش بینی رفتار کوره برخوردار می باشد. نتایج توزیع متغیر های مختلف مانند دمای گاز و جامد، فشار گاز، کسر مولی گاز ها و کسر احیا را درون کوره بلند نشان می دهد. نتایج نشان می دهد با افزایش فشار گاز در خروجی نرخ تولید آهن مذاب افزایش می یابد همچنین نرخ مصرف کک کاهش می یابد. همچنین با کاهش قطر گندله شارژ شده به کوره نرخ تولید آهن مذاب افزایش می یابد و همچنین نرخ مصرف کک کاهش می یابد.

سرمایش و گرمایش سیالات برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی شامل منبع حرارتی، فرآیندهای تولیدی، حمل ونقل و الکترونیک نقش مهمی دارد. روش های زیادی برای افزایش نرخ انتقال حرارت در این فرآیندها گزارش شده است. بیشتر این روش ها برمبنای تغییرات در ساختار تجهیزات نظیر افزایش سطوح حرارتی (پره ها)، لرزش سطوح حرارتی، تزریق یا مکش سیال و اعمال جریان الکتریکی یا مغناطیسی متمرکز می باشند اما این روش ها به سختی می توانند از عهده تقاضای روزافزون انتقال حرارت و فرآیندهای با انرژی بالا برآیند. یکی از روش هایی که نقش مهم و اساسی را در انتقال حرارت ایفا می کند، افزودن نانوذرات فلزی داخل سیالات می باشد تا به سبب ضریب هدایت بالای نانوذات فلزی، انتقال حرارت از سیالات را بهبود بخشد. از طرفی محیط های متخلخل که بخش جامد آنها دارای ضریب هدایت بالاتری نسبت به فضای خالی آن باشد، ضریب هدایت کلی محیط را بالا می برند و با عبور سیال از داخل این محیط های متخلخل، حرارت بیشتری منتقل خواهد شد. مسئله ای که در این تحقیق در نظر گرفته شده، بررسی ترکیبی از محیط متخلخل و نانوسیال می باشد. با مطالعه و شناخت جریان نانوسیال در میحط متخلخل، می توان شرایطی را ایجاد کرد که حرارت بیشتری منتقل گردد. در این تحقیق انتقال حرارت طبیعی اطراف یک استوانه افقی دوبعدی در محیط متخلخل و اشباع شده توسط نانوسیال مورد بررسی قرار می گیرد. مدل استفاده شده برای تحلیل نانوسیال مدل بونگیورنو می باشد و برای تحلیل محیط متخلخل از مدل دارسی استفاده شده است . معادلات حاکم شامل بقای جرم ، بقای جرم نانوذره ، بقای مومنتم ( دارسی) و بقای انرژی می باشند که با روش تشابهی به معادلات دیفرانسیل معمولی تبدیل شده و سپس با روش شوتینگ توسط نرم افزار متلب حل شده اند. نتایج بدست آمده بر اساس چهار پارامتر نفوذ براونی، نفوذ ترموفورز، ضریب شناوری و عدد لوئیس ارائه شده اند و نشان می دهند که عدد ناسلت میانگین با افزیش ضریب شناوری و عدد لوییس و با کاهش ضریب نفوذ براونی و ترموفورز زیاد می شوند.

در این تحقیق به تحلیل عددی احتراق پیش مخلوط متان/هوا در مشعل متخلخل استوانه ای دو لایه به صورت دو بعدی و تقارن محوری، با استفاده از مکانیزم یک مرحله ای متان/هوا و با هدف پیش بینی عملکرد حرارتی مشعل متخلخل پرداخته شده است. معادلات دو بعدی نویر- استوکس، انرژی و انتقال گونه های شیمیایی در محیط متخلخل با استفاده از کد تجاری ansys fluent 14 حل شده اند. از مدل عدم تعادل حرارتی که منجر به حل دو معادله انرژی مجزا برای فاز گاز و جامد می شود استفاده شده است. همچنین انتقال حرارت تشعشعی محیط متخلخل با استفاده از ضریب هدایت حرارتی موثر، جایگزین شده است. پروفیل دما بر روی خط مرکزی و انتشار no در خروج از مشعل برای چندین نرخ هوای اضافی با کار آزمایشگاهی مقایسه شده است. میدان دو بعدی دمای گاز و جامد و غلظت گونه های شیمیایی ارائه شده است. همچنین حساسیت مدل نسبت به عوامل مختلف از جمله تخلخل، سینتیک واکنشی احتراق، میزان هوای اضافی، ضریب هدایت حرارتی موثر، توان حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجایی مطالعه گردید. نتایج بدست آمده، تطابق خوبی را با کار آزمایشگاهی نشان می دهد و اثبات می کند که می توان از تحلیل عددی برای پیش بینی احتراق درون محیط متخلخل استفاده کرد. همچنین استفاده از ضریب هدایت حرارتی موثر بجای معادلات پیچیده تشعشعی درون محیط متخلخل، علاوه بر کم کردن زمان محاسبات، با دقت خوبی رفتار حرارتی مشعل را توصیف کرده است. افزایش هوای اضافی سبب کاهش بیشینه دمای شعله شده و در نتیجه سبب کاهش مقدار انتشار no می شود. با افزایش ضریب انتقال حرارت حجمی بین گاز و جامد، دمای بیشینه شعله و سرعت گاز افزایش می یابد. با افزایش تخلخل در ناحیه احتراق، دمای بیشینه کاهش یافته و اختلاف دمای بین گاز و محیط متخلخل کاهش می یابد. افزایش ضریب هدایت حرارتی فاز جامد، سبب انتقال جبهه شعله به بالادست جریان و افزایش بیشینه دما می شود.

صنعت آهن و فولاد یکی از مهمترین صنایع در ایران است. بالا بودن شدت مصرف انرژی و شدت انتشار آلاینده چالشی مهم در توسعه صنعت آهن و فولاد است. از طرفی رشد و توسعه صنعت فولاد جز با توجه به اثرات زیست¬محیطی این صنعت امکان¬پذیر نیست. تولید فولاد به روش احیاء مستقیم با تکنولوژی میدرکس غالب¬ترین روش تولید فولاد در ایران است. در این پژوهش به بررسی فرایندی روش احیاء مستقیم اکسیدهای آهن به بررسی میزان شدت مصرف انرژی و نیز انتشار گازهای گلخانه ای به ویژه دی اکسید کربن پرداخته شده است. با توجه به غالب بودن تکنولوژی میدرکس در تولید آهن اسفنجی در ایران مدل¬سازی بر اساس این روش احیاء مستقیم است. تعیین میزان شدت مصرف انرژی و شدت انتشار گاز گلخانه ای بر اساس مدل سازی ریاضی است. مدل سازی انجام شده بر اساس تعادل انرژی و جرم است. در این مدل سازی، معادلات دیفرانسیلی بقای جرم و انرژی برای کوره احیاء اعمال شده است. و نیز معادلات بقای جرم برای مجموعه ریفرمر و کوره احیاء به¬کارگرفته شده است. از آنجا که بررسی از دید بهینه سازی فرایندی است، فرض¬های ساده شونده اثر کمی بر نتایج شدت مصرف انرژی و شدت انتشار دی اکسید کربن دارد. با حل معادلات دیفرانسیلی درون کوره احیاء توزیع غلظت و دمای ترکیب¬های گاز و جامد بدست آمده است، داده¬های مدل¬سازی با نتایج سایر مقالات و نیز داده¬های عملیاتی اعتبار سنجی شده است. نتایج پژوهش شامل بررسی پارامترهای عملکردی کوره بر شدت مصرف انرژی و شدت انتشار گاز دی اکسیدکربن است. بررسی اثر درجه بازیافت گاز خروجی از کوره به ریفرمر بر کیفیت محصولات و شدت انرژی واحد، بررسی اثر کارایی ریفرمر گاز طبیعی، کیفیت محصولات، نیز اثر دمای گاز احیاء ورودی به کوره احیاء بر شدت مصرف انرژی واحد و شدت انتشار گاز گلخانه¬ای از مهمترین نتایج است. به خوبی مشخص است افزایش درجه بازیافت گاز خروجی از کوره به ریفرمر افزایش شدیدی در شدت مصرف انرژی واحد به همراه خواهد داشت، در حالی¬که تاثیر ناچیزی بر کیفیت محصولات دارد.

رایج ترین نوع کلکتورهای خورشیدی از یک سطح سیاه به عنوان جذب کننده استفاده می کنند و حرارت را به سیال درون لوله های کلکتور منتقل می کنند که به دلیل جذب سطحی دارای بازدهی چندان بالایی نمی باشد. لذا موضوعی که در این تحقیق مورد نظر ما است افزایش بازدهی کلکلتور می باشد. بازدهی نه تنها به نحوه جذب موثر انرژی خورشید، بلکه به چگونگی انتقال حرارت به سیال عامل نیز بستگی دارد.

در این پایان نامه، شبیه سازی نیروگاه دودکش خورشیدی برای شرایط آب و هوایی سمنان انجام شده است. شبیه سازی، به منظور استفاده از انرژی خورشید به عنوان انرژی اولیه، که برای آن هزینه ای پرداخت نمی شود، انجام گرفته است. از بین تکنولوژی های نیروگاهی خورشیدی، نیروگاه دودکش خورشیدی به دلیل پیچیده نبودن آن، فعال بودن نیروگاه در شبانه روز، نیازمند نبودن به سیکل کمکی برای نیروگاه و تبدیل مستقیم انرژی خورشید به برق، انتخاب شده است. همچنین میزان تولید توان نیروگاه، برای شهر سمنان ارزیابی شده است. برای این منظور ابتدا مدل مفهومی نیروگاه دودکش خورشیدی توسعه داده شده است.