جریان اختلاطی صفحه ای در نتیجه یکی شدن دو جریان موازی سیال، که دارای سرعتهای مختلف می باشند بوجود می آید. این دو جریان در انتهای یک صفحه جداکننده، که فرض می شود دارای ضخامت ناچیزی می باشد با هم مخلوط می شوند. در پایین دست این تلاقی. انتقال مومنتوم بین دو جریان سیال صورت می گیرد. لایه اختلاطی در واقع به ناحیه ای که در آن فرایند یکی شدن اتفاق می افتد اطلاق می گردد. در این تحقیق معادله بی بعد شده ناویر-استوکس در فرم چرخشی برای جریان اختلاطی دو بعدی و تراکم ناپذیر با شرط مرزی آزاد خروجی به روش مستقیم عددی شبیه سازی (dns) شده است. معادلات دیفرانسیل حاکم با استفاده از روش اختلاف محدود فشرده لیله در جهات جریان ( ) و عمود بر جریان ( ) گسسته شده اند. از نگاشت جهت مرتبط نمودن دامنه فیزیکی به دامنه محاسباتی استفاده شده است. برای توسعه محاسبات در دامنه زمان نیز از روش رانج کوتای فشرده مرتبه سوم استفاده شده است. در مرز خروجی از شرط مرزی آزاد استفاده کرده ایم بدین صورت که معادلات حاکم بر جریان در مرز خروجی نیز صدق می کند. در این تحقیق هر دو جریان اختلاطی آرام و مغشوش مورد بررسی قرار گرفته است. برای مغشوش کردن جریان، یک اغتشاش زمانی بر مولفه سرعت اعمال شده است. از جواب های تحلیلی غیر ویسکوز (استوارت) و معادله نفوذ وابسته به زمان برای ارزیابی صحت نتایج شبیه سازی استفاده گردیده است. مشخصه های جریان لایه اختلاطی به دست آمده و با نرمال کردن مولفه های سرعت لحظه ای و گردابه های جریان، به وسیله اختلاف سرعت جریان های آزاد و نصف عرض پروفیل سرعت، خاصیت خود تشابهی بررسی شده است.

با پیشرفت علم کامپیوتر و بوجود آمدن کامپیوترهایی با سرعت بالا استفاده از حلهای عددی در مسائل مختلف علوم از جمله مهندسی فراگیر شده است. حلهای عددی نه تنها هزینه روشهای آزمایشگاهی و تجربی را ندارند، بلکه در مدت زمان کمتری نیز می توانند نتایج مفید با جزئیات زیادی را بدست آورند. مزیت شبیه سازی عددی مستقیم نسبت به سایر روشهای عددی این است که نیاز به مدل خاصی برای مدلسازی توربولانس ندارد ولی یکی از معایب آن این است که حجم محاسبات بالا بوده و در نتیجه حل با استفاده از این روش زمان بر خواهد بود. جریانهای برشی حالتهایی از جریان هستند که استفاده صنعتی زیادی دارند و همچنین در مدلسازی مسائل پیچیده نیز به کار می روند؛ لیکن حل دقیق این جریانها می تواند در موارد فوق مشکل گشا باشد. در این تحقیق فرم چرخشی معادلات ناویر- استوکس برای جریانهای برشی با استفاده از روشهای عددی و تفاضلات محدود فشرده در جهت اصلی جریان (x) و تفاضلات فشرده تطبیقی در جهت عمود بر جریان y حل شده اند. دامنه حل مسئله در جهت جریان دارای طول محدود و در جهت عمود بر جریان به سمت میل می نماید. از نگاشت یک به یک کتانژانت برای مرتبط نمودن شبکه فیزیکی (y) با شبکه محاسباتی به طول واحد استفاده شده است. در مرز ورودی شرط مرزی دیریشله برای سرعت و در مرز خروجی این شرط با استفاده از مدل انتقالی تولید و اعمال شده است. محاسبات در دامنه زمان با استفاده از روش فشرده رانجه کوتای مرتبه سوم انجام شده است. ضمناً تحلیل جوابها در دستگاه مختصات خودمشابه، خود تشابهی ترمهای سرعت و گردابه را بخوبی نمایان می نماید.

چکیده جت مدور آزاد زمانی حاصل می شود که سیال با یک ممنتوم اولیه داده شده، از یک نازل دایره ای به محیطی نامحدود تخلیه شود. جریان های جت مدور بخاطر هندسه ساده ای که دارند، در بسیاری از کاربرد های مهندسی مانند پیشرانش، اختلاط و آیرواکوستیک یافت می شوند. آنها همچنین از نقطه نظر تئوری مهم هستند زیرا الگویی مناسب برای جریان های آزاد ارائه می کنند. معادلات حاکم در مکانیک سیالات عموما معادلات ناویر- استوکس می باشند. از آنجا که این معادلات ماهیتا غیر خطی هستند، حل های دقیق آنها بندرت یافت می شود. بنابراین پاسخ های دقیق تنها می توانند با حل کردن عددی معادلات ناویر- استوکس بدست آیند. در اینجا ما به نوع خاصی موسوم به شبیه سازی مستقیم اشاره داریم که در آن همه مشخصات جریان با جزئیات محاسبه می شوند. ?dns ? عددی در کار پیش رو شبیه سازی مستقیم عددی جریان یک جت مدور در حال توسعه مکانی انجام شده است. معادلات ناویر- استوکس تراکم ناپذیر دو بعدی در یک سیستم مختصات استوانه ای حل شده اند. این معادلات نا محدود می باشد، حل ?r ? محدود و در جهت عمود بر جریان ? x ? در یک دامنه که در جهت جریان و یک روش تفاضل محدود x می شوند. برای محاسبه مشتقات مکانی یک طرح تفاضل محدود فشرده در جهت بکار رفته است. روش رانج-کوتای مرتبه سوم فشرده برای توسعه شبیه سازی عددی r فشرده تطبیقی در جهت در زمان استفاده شده است. نتایج شبیه سازی در عدد رینولدز پایین بدست آمده و رابطه توانی برای نقصان خط مرکزی و نیم عرض جت بعنوان تابعی از فاصله از ورودی جریان بررسی شده است. پروفیل های سرعت و ورتیسیته در ایستگاههای مختلف در جهت جریان رسم شده و پدیده خود تشابهی مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین با اعمال برخی اغتشاشات در ورودی جریان، سرعت های متوسط و نوسانی بدست آمده و توزیعات تنش رینولدز بررسی شده است.

در این رساله سعی بر آن است تا تحلیل مناسبی بر روی جریان مغشوش درون کانال انجام گردد. جهت کاهش حجم محاسبات مسئله به صورت دو بعدی از یک کانال، تعریف شده است و عرض کانال نامحدود در نظر گرفته شده است. معادلات حاکم بر دامنه محاسباتی به صورت معادلات ناویر- استوکس در نظر گرفته شده و فرم چرخشی این معادلات به صورت مستقیم حل می گردد. در این رساله سعی شده است تا با کمک شبیه سازی عددی و به دور از هرگونه مدل‎سازی و یا فرضی جهت ساده سازی، جریان مغشوش در یک کانال مورد بررسی قرار گیرد. برای پیشروی زمان در دامنه محاسباتی، از طرح رانگ کوتای مرتبه سوم استفاده شده است. مشتقات مادی در این رساله با استفاده از روش تفاضلات محدود فشرده استاندارد، محاسبه شده اند و با توجه به مرتبه معادلات ناویر- استوکس در فرم چرخشی در مجموع، چهار شرط مرزی در ورودی و خروجی جریان در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از این رساله با توجه به مستقیم بودن شبیه سازی و عدم ساده سازی معادلات، از دقت بالاتری نسبت به دیگر روش‎های عددی برخوردار می‎باشد.

در این رساله سعی بر آن شده است که با استفاده از روش شبکه بولتزمن و ترکیب آن با روش حجم محدود، رفتارهای ترمو – هیدرودینامیکی جریانهای سیالات و نانوسیالات دوبعدی تراکم ناپذیر مورد بررسی قرار گیرند. برای این منظور مدل متداول d2q9 انتخاب و از طرح مرکزیت سلول برای گسسته سازی معادلات جریان و انرژی بولتزمن بر روی شبکه چهارضلعی بی سازمان استفاده گردیده است. با قرار دادن یک شبکه مجازی بر روی ضلع منطبق بر مرز، اعمال شرایط مرزی برای روش مورد استفاده به خوبی و با دقت بالایی قابل اجرا گردید. به منظور افزایش پایداری حل از فاکتورهای تصحیح برای محاسبه جمله شار در معادلات جریان و انرژی استفاده شده است. همچنین برای کاهش نوسانات عددی در هنگام شبیه سازی به خصوص در جریانهایی با رینولدزهای بالاتر و یا توام با جریانهای برگشتی از جمله اتلاف مصنوعی مرتبه چهارم بهره گرفته شده است. استفاده از موارد فوق به همراه بهره گیری از روش رانگ – کوتای مرتبه پنجم برای پیشروی معادلات در زمان باعث افزایش چشمگیر دقت و صحت نتایج و کاهش مدت زمان شبیه سازی گردید. جهت تحلیل گرمایی جریان از روش تابع توزیع دوگانه استفاده گردید که دارای پایداری بهتری نسبت به سایر روشها می باشد. همچنین از روش تجزیه تابع توزیع انرژی به دو بخش تعادلی و غیرتعادلی برای اعمال شرایط مرزی گرمایی استفاده شد که در نتیجه آن نتایج قابل قبولی بدست آمد. به منظور تحلیل نانوسیالات مختلف نیروهای وارده از سیال به نانوذره که شامل نیروی شناوری و جاذبه، براونی، درگ و جاذبه و دافعه dlvo در معادلات بولتزمن وارد گردیدند. به منظور ارزیابی نتایج و دقت روش مورد استفاده آنالیز رفتارهای ترمو – هیدرودینامیکی طیف وسیعی از جریانهای متداول در مکانیک سیالات انجام گردید و تلاش شد که نتایج بدست آمده از شبیه سازیهای انجام شده با نتایج معتبر سایر محققان مقایسه گردد. بطور کلی نتایج بیانگر دقت خوب و قابل قبول روش پیشنهادی در تحلیل جریانهای سیال و نانوسیال می-باشد. تحلیل نتایج نانوسیالات نشان داد که نانوسیالات توام با نانوذرات با چگالی کمتر دارای سرعت بیشتری نسبت به نانوسیالات توام با ذرات سنگین تر می باشند. همچنین نشان داده شد که در نواحی خارج از جریانهای برگشتی، نانوذراتی که دارای ضریب هدایت حرارتی بزرگتری هستند، باعث رشد بیشتر عدد ناسلت و در نتیجه انتقال حرارت می شوند در حالیکه در داخل جریانهای برگشتی این مطلب برعکس می باشد، یعنی نانوذرات با ضریب هدایت حرارتی کوچکتر افزایش بیشتری در مقدار ناسلت را نشان می دهند.

در توربین های بادی با محور عمودی ، روتور اصلی به صورت عمودی قرار می گیرد. مهم ترین برتری این نوع از توربین های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، یک امتیاز به شمار می رود.در این پروژه به بررسی عددی اثر نسبت استحکام به عنوان پارامتری موثر بر روی عملکرد آیرودینامیکی توربین بادی محور عمودی داریوس با تیغه های مستقیم پرداخته می‏شود.برای بررسی عددی اثر استحکام بر روی ضریب توان از نرم افزار openfoam استفاده شده است. این نرم‏افزار از شیوه عددی حجم محدود (fvm) برای حل معادلات جریان سیال (ناویر- استوکس) استفاده ‏می‏‏‏‏کند. در این پژوهش پس از بررسی استقلال حل از شبکه، اعتبارسنجی کد عددی با استفاده از توربینی که مشخصات هندسی و همچنین نتایج تست آن در مراجع معتبر موجود می باشد، مورد بررسی قرار می گیرد.

روتور در توربین های بادی محور عمودی بصورت عمودی قرار می گیرد. مهم ترین برتری این نوع از توربین های بادی آن است که نیازی به تنظیم، جهت قرار گیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. در این مطالعه به بررسی اثر نسبت منظری به عنوان پارامتری موثر بر روی عملکرد آیرودینامیکی توربین بادی محور عمودی داریوس با تیغه های مستقیم پرداخته می شود. نسبت منظری در این پروژه بصورت نسبت ارتفاع پره به قطر روتور توربین تعریف می شود. در این مطالعه با ثابت نگه داشتن مساحت روتور توربین (2hr) و همچنین ثابت نگه داشتن نسبت استحکام، با تغییر شعاع به تغییر نسبت منظری اقدام و سپس نحوه تغییرات مشخصه های توربین بادی بررسی می گردد. توربین بادی داریوس با تیغه های مستقیم بر اساس نیروی برا کار می کند. برای بررسی عددی اثر نسبت منظری بر روی عملکرد توربین از نرم افزار openfoam استفاده شده است. این نرم افزار از شیوه حجم محدود (fvm) برای حل معادلات جریان سیال (ناویر- استوکس) استفاده می کند. در این مطالعه پس از بررسی استقلال حل از شبکه، اعتبار سنجی کد عددی با استفاده از توربینی که مشخصات هندسی و همچنین نتایج تست آن در مراجع معتبر موجود می باشد، مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج حاصل از حل عددی تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی موجود نشان می دهد. به منظور بررسی نسبت منظری توربین جهت دستیابی به نقطه بهینه طراحی، توربینی با ظرفیت 4 کیلو وات مورد بررسی قرار می گیرد. نسبت منظری توربین محور عمودی در بازه ی 5/0 تا 3 مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از حل عددی برای نسبت منظری های مختلف نشان می دهد که کاهش نسبت منظری، سبب افزایش ضریب توان و ضریب گشتاور توربین می شود. همچنین با کاهش نسبت منظری دامنه عملکردی توربین افزایش یافته و کنترل آن آسانتر می شود.

هدف اصلی این پروژه، ارائه ی راهکاری برای افزایش راندمان آئرودینامیک توربین های بادی محور افقی میباشد. یکی از روش های بهبود راندمان آئرودینامیک، استفاده از گورنی فلپ در پره ی توربین است. گورنی فلپ از یک صفحه ی تخت و کوچک تشکیل شده است که در لبه ی فرار، به صورت عمود بر طول کورد ایرفویل پره نصب میشود. محل قرار گیری گورنی فلپ به سمت ناحیه فشار است. گورنی فلپ توزیع فشار در سطح پایینی ایرفویل (ناحیه فشار) را افزایش می دهد. همزمان، گردابه های ایجاد شده در پایین دست جریان می توانند موجب تاخیر و یا حذف جدایش جریان در نزدیکی لبه ی فرار سطح بالایی ایرفویل شوند. استفاده از گورنی فلپ همچنین باعث افزایش قابل توجه در نیروی لیفت و افزایش محدود نیروی درگ (درگ فشاری) در زوایای حمله ی مختلف میشود.در این پروژه با طراحی و مقایسه ی دو توربین بدون گورنی فلپ و مجهز به گورنی فلپ با ارتفاع های مختلف (1%، 2%، 3% و 4% طول کورد در هر مقطع از پره ی توربین)، به مطالعه ی مشخصه های توربین های بادی محور افقی پرداخته ایم. نتایج نشان می دهد که افزودن گورنی فلپ با ارتفاع های مختلف، موجب افزایش نیروی مماسی و در نتیجه افزایش گشتاور موثر حول محور دورانی میشود. بنابراین ضریب توان و در پی آن عملکرد آئرودینامیکی توربین افزایش می¬یابد.به طور مثال، در حالت کارکرد عادی توربین (وقتی زاویه پیچ صفر درجه است)، با استفاده از گورنی فلپ با ارتفاع بهینه، ضریب توان تا 16.77 % افزایش می¬یابد.وقتی زاویه پیچ پره تغییر می¬کند افت شدیدی در ضریب توان توربین رخ می¬دهد. اما استفاده از گورنی فلپ از افت شدید توان جلوگیری می کند و بازه ی عملکرد توربین را افزایش می دهد. کاهش نیاز به گشتاور راه اندازی مزیت دیگر استفاده از گورنی فلپ میباشد.به عنوان مطالعه ی دیگر، طول بهینه ی گورنی فلپ مورد ارزیابی واقع شد. طول بهینه ی گورنی فلپ (65 تا70) درصد طول پره از نوک نتیجه گرفته شده است. از طرفی استفاده از گورنی فلپ موجب افزایش نیروی تراست نیز میشود. بنابراین ملاحظات سازه ای پره باید در نظر گرفته شود.در این پروژه از حل عددی جریان برای تعیین پارامترهای آئرودینامیکی استفاده کرده ایم. همچنین کدهای بی ای اِم برای تحلیل پارامترهای آئرودینامیکی و بررسی عملکرد توربین مورد استفاده واقع شده است.