انتقال حرارت مرکب هدایتی و تابشی شیوه اصلی انتقال انرژی در محیط های نیمه شفاف است و تحلیل آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از جمله کاربردهای این گونه مسائل می توان به بررسی مبدل های انرژی دما بالا، صنایع شیشه سازی، عایق های الیافی و پرمنفذ و سپرهای حرارتی وسایل فضایی اشاره نمود. در سال های اخیر روش شبکه بولتزمن که یک روش مزوسکوپیک است، به عنوان یک روش جایگزین دینامیک سیالات محاسباتی سنتی برای مسائل سیالاتی توسعه یافته است و کاربرد این روش برای مسائل انتقال حرارتی نیز در حال گسترش است. در این تحقیق برای حل معادله انرژی با حضور انتقال حرارت تابشی و انتقال حرارت هدایتی از روش شبکه بولتزمن استفاده شده است. در تحقیق حاضر معادله انرژی در محیط با ضریب انکسار متغیر مورد بررسی قرار گرفته است، جمله مربوط به انتقال حرارت تابشی برای معادله انرژی به شکل چشمه عمل می کند، که برای محاسبه این جمله باید معادله انتقال تابش حل شود. برای محاسبه اطلاعات تابشی لازم برای حل معادله انرژی از روش راستاهای مجزا که روشی بر اساس نمایش گسسته متغیرهای جهتی شدت تابش است استفاده شده است. روش راستاهای مجزا معادله انتقال تابش را به معادلات دیفرانسیل جزئی همزمان تبدیل می کند. در این تحقیق برای اولین بار از ترکیب روش شبکه بولتزمن و روش راستاهای مجزا برای تحلیل ترکیب انتقال حرارت تابشی و هدایتی در محیط با ضریب انکسار متغیر استفاده شده است. مقایسه نتایج حاصل از ترکیب روش شبکه بولتزمن و روش راستاهای مجزا با نتایج کارهای انجام شده گذشته که شامل روش هایی مثل حجم محدود، تفاضل محدود و المان محدود برای حل معادله انرژی و روش انتقال مجزا، روش حجم محدود و روش ردیابی پرتو برای محاسبه اطلاعات تابشی بودند، بخوبی کارایی ترکیب روش شبکه بولتزمن و روش راستاهای مجزا را برای حل معادله انرژی در محیط های نیمه شفاف مورد تأیید قرار دادند. نهایتاً اثر پارامترهای مختلف تابشی بر میدان دما، شار حرارتی تابشی، شار حرارتی هدایتی و شار حرارتی کل بررسی شده است.

در این پایان نامه اختلاط دو سیال در فاز مایع با دو غلظت متفاوت از یک گونه شیمیایی در یک جریان الکترو- اسمتیک مورد مطالعه و بررسی عددی قرار گرفته است. سیال پایه یک الکترولیت است که در یک ریزمجرای دو بعدی با دیواره های باردار جاری است. عامل تحریک جریان نیروی الکتریکی لورنتز است که از اعمال یک میدان الکتریکی خارجی بر لایه دوگانه الکتریکی (edl) ، ناشی از مجاورت دیواره باردار و الکترولیت به دست آمده است. جریان الکترو- اسمتیک حاصل، در حالت پایدار و در دستگاه مختصات عمومی به روش حجم محدود شبیه سازی شده است. برای اطمینان از همگرایی حل های حاصل از برنامه کامپیوتری، حل های تکراری معادلات تا جایی که مقدار باقیمانده حل هر معادله از مرتبه خطای ماشین گردد اجرا شده و برای یک مورد جریان آزمایشی، استقلال نتایج مهم جریان از تعداد و موقعیت گره های شبکه راستی آزمایی شده است. جهت افزایش راندمان اختلاط، روی دیواره ریزمجرا موانعی به شکل دلخواه مربعی و مثلثی تعبیه شده است. ضمن مطالعه اصول اختلاط برای حالت اختلاط غیرفعال، اثر تعداد و میزان ارتفاع موانع را بر راندمان اختلاط مورد مطالعه پارامتری قرار داده ایم. همچنین اثر زتا پتانسیل های متفاوت بر روی دیواره های بالا و پایین ریزمجرا را بر روی راندمان اختلاط مورد بررسی قرار داده ایم. نتایج حاصل از حل عددی جریان الکترو- اسمتیک درون ریزمجرا با حل تئوری آن مقایسه شده و تطابق بسیار خوبی را با حل تئوری نشان می دهد.

در این پایان نامه جریان آرام توسعه یافته همراه با انتقال حرارت و جرم در کانال های پیل سوختی با مقطع مستطیلی بررسی شده است. کانال های مورد نظر مستقیم بوده و متشکل از یک دیواره متخلخل (سطح الکترود) و سه دیواره غیر متخلخل (صفحه توزیع کننده گاز) هستند. معادلات حاکم شامل معادلات ممنتوم و انرژی سه بعدی هستند و توسط روش های دینامیک سیالات محاسباتی و نوشتن یک کد دوبعدی برای حالت های همراه با تزریق و مکش و بدون آن ها و شرایط مرزی حرارتی مختلف حل شده اند و پارامترهای جریان در کانال مانند ضریب اصطکاک و عدد ناسلت برای کانال با نسبت منظری های مختلف محاسبه شدند. نتایج نشان می دهد که برای یک نسبت منظری معین، ضریب اصطکاک در حالت تزریق بیشتر از مکش بوده و با افزایش میزان تزریق و مکش، تفاوت آن ها بیشتر می شوند و برای همه مقادیر مکش یا تزریق کمترین مقدار ضریب اصطکاک مربوط به نسبت منظری واحد (سطح مقطع مربع) است. عدد ناسلت برای شرایط مرزی مختلف ساده شامل t و q ثابت و دو حالت ترکیبی محاسبه شده و تغییرات آن ها بر حسب نسبت منظری و مقدار تزریق یا مکش ترسیم شده است.

جریان دیناموهیدرومغناطیسی (ام اچ دی) یک جریان از سیال هادی الکتریکی با عاملیت حرکت ناشی از تداخل میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. نیروی محرک در جریان های ام اچ دی، نیروی لورنتز است که به واسطه ی بکارگیری دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم بوجود می آید. در دهه ی اخیر، جریان ام اچ دی حوزه ی میکروسیالی را در بر گرفته است و تحقیقات در این زمینه رشد فزاینده ای دارد. در واقع نیروی الکتریکی در اینجا، به عنوان عامل اصلی حرکت سیال می تواند در دسته وسیعی از میکروپمپ ها بکار رود. با استفاده از اصول حاکم بر جریان ام اچ دی، هم زمان با پمپاژ سیال، می توان به شکل های مختلف، از این جریان به عنوان هم زن (میکسر) برای اختلاط دو سیال نیز استفاده نمود. نتایج پژوهش حاضر پس از فصول اول و دوم، در دو فصل اصلی ارائه می شود. فصل سوم در دو بخش جدا از هم به تحلیل دوبعدی جریان های ام اچ دی به ترتیب در میکروپمپ ها و میکرومیکسرها می پردازد. حال آنکه فصل چهارم به تحلیل سه بعدی جریان های ام اچ دی فقط در میکروپمپ ها و کاربرد آنها در شبکه های میکروسیالی می پردازد. در میکروپمپ های دوبعدی مورد نظر در بخش اول فصل3، اثرات حرارتی و دینامیکی جریان مطالعه شده است. به عبارت روشن تر در رابطه با تحلیل حرارتی، اثر گرمایش ژول روی توزیع دمای سیال و در رابطه با تحلیل دینامیکی، توزیع پارامترهایی نظیر سرعت و فشار در جریان ام اچ دی بین دو صفحه موازی به روش حجم محدود با استفاده از الگوریتم سیمپل شبیه سازی شده است. این در حالی است که در میکرومیکسرهای ام اچ دی (بخش دوم فصل3)، ضمن معرفی یک طرح جدید و شبیه سازی جریان سیال در آن، راندمان فرآیند اختلاط مطالعه شده است. نتایج شبیه سازی جریان ها در بخش اول فصل3 برای میکروپمپ های ام اچ دی نشان داد که این جریان ها تا حدود بسیار زیادی کاملاً توسعه یافته اند و همین امر باعث شد تا روش های حل دوبعدی جدیدی برای جریان های سه بعدی (فصل4) معرفی شود. به عبارت دیگر از آنجا که در این میکروپمپ ها نیروی حجمی لورنتز می تواند با تقریب خوبی در سطح مقطع کانال، یکنواخت تلقی شود، حتی اگر این نیرو فقط بر بخش معینی از طول کانال اعمال شود یا غیر یکنواخت محوری باشد، پروفیل های سرعت ـ مشابه یک جریان فشار محرک ـ همه جا سهمی گون و یکسان هستند. لذا بعنوان روشی جدید می-توان نیروی محرک حجمی را ابتدا به طور موقتی حذف کرده و به جای آن از یک گرادیان فشار خطی معادل یا یک نیروی حجمی یکنواخت در سراسر کانال استفاده نمود. در این صورت، اگرچه توزیع فشار غیرخطی (واقعی) با یک توزیع فشار خطی معادل، جایگزین می شود اما پروفیل سرعت حاصله تغییری نخواهد کرد. مزیت چنین کاری این است که حل سه بعدی معادلات را می توان به یک حل دو بعدی (با معادله ی پواسون) برای مقطع عرضی کانال تبدیل نمود. لذا در این پژوهش، با حل معادله ی پواسون مورد نظر، به روش حجم محدود، اثر پارامترهای مختلف نظیر چگالی شار مغناطیسی، جریان الکتریکی و ابعاد هندسه ی مقطع کانال بر سرعت جریان سیال مطالعه شده است. در رابطه با مسائل فیزیکی شبیه سازی شده در این پژوهش، می توان بطور خلاصه به نتایج زیر اشاره نمود؛ حل دو بعدی معادله ی انرژی نشان داد که در جریان ام اچ دی بین دو صفحه ی موازی با عرض و طول 1 و 10 میلی متر و به ازای چگالی شار مغناطیسی 20 میلی تسلا و اختلاف ولتاژ 20 ولت، افزایش دمایی برابر 28 درجه سلسیوس حاصل می گردد. این افزایش دما، یکی از معایب بزرگ میکروپمپ های ام اچ دی می باشد. راندمان بدست آمده برای طرح جدید میکرومیکسر معرفی شده، نشان داد که در این میکرومیکسر ها با اعمال اختلاف ولتاژ مناسب، اختلاط کامل در طول نسبتاً کوتاهی قابل حصول است. در نهایت، مطالعه ی سه بعدی اثر ابعاد مقطع کانال روی میزان سرعت نشان داد که در صورت ثابت ماندن مقادیر جریان الکتریکی، چگالی شار مغناطیسی، خواص دینامیکی و مغناطیسی سیال، سرعت جریان در این میکروپمپ ها، در نسبت منظری واحد، حداکثر مقدار خود را دارد.

همچنین در پژوهش حاضر به یکی از سوالات بسیار رایج و مهم در روش حل لتیس بولتزمن یعنی چگونگی تبدیل نتایج بدست آمده از حل معادله انفصالی بولتزمن به نظایرشان در فضای فیزیکی پاسخ داده شده است. بدین منظور برای نخستین بار سیستم واحدهای لتیس، بعنوان یک سیستم مستقل از سیستم واحدهای مرسوم فیزیکی معرفی شده است تا بتوان با استفاده از آن به سئوال فوق پاسخ داد. چنانچه ارتباط این سیستم جدید با سیستم واحدهای فیزیکی بدرستی معرفی شود آنگاه چگونگی تبدیل نتایج بین این سیستم ها تنها با ثابت نگهداشتن پارامترهای بی بعد براحتی قابل بیان است. از طرف دیگر پذیرش سیستم واحدهای مستقل لتیس به این معنا است که تمام متغیرهای موجود در تعریف صورت یک مسئله بایستی در همین سیستم کمی شوند. یکی از ویژگی های متفاوت سیستم واحدهای لتیس این است که واحد کمیات آن اگرچه همواره یک است اما دارای مقدار معادل شناوری در سایر سیستم ها است. با این حال ویژگی فوق نقشی در روند حل روش لتیس بولتزمن ندارد. به منظور نشان دادن کاربرد سیستم واحدهای لتیس، جریان فشار- محرک، جرم- محرک و نیرو محرک- حجمی درون یک ریزمجرای تخت دو بعدی با استفاده از روش لتیس بولتزمن و با تاکید بر دیمانسیون کمیات، تحلیل و نتایج آن ها ارائه شده است.

در این پژوهش اثرات گرمای ژول در جریان های الکترواسمتیک درون ریزمجراهایی با مقاطع مختلف در دو حالت کلی بررسی شده است. در حالت نخست با فرض توسعه یافتگی هیدرودینامیکی و یونی این اثرات بر جریان الکترواسمتیک درون ریزمجرا هایی با مقاطع ذوزنقه ای و مثلثی مطالعه شده است. در این حالت با توجه به شکل معادلات حاکم و یکسان بودن مشخصات دینامیکی در راستای جریان سه معادله کاملاً وابسته بهم در قالب معادله پواسون به روش حجم محدود در مختصات عمومی هر مقطع حل شده است. در عین حال خواص سیال نظیر لزجت دینامیکی و رسانندگی الکتریکی تابع دما در نظر گرفته شده اند. نتایج نشان می دهد در نظر گرفتن اثرات گرمای ژول افزایش دما را در پی دارد. این افزایش دما خواص ترموفیزیکی سیال را تحت تأثیر قرار می دهد به گونه ای که لزجت به طور نمایی کاهش یافته در حالی که رسانندگی الکتریکی به طور خطی افزایش می یابد. از سوی دیگر افزایش گرمای ژول موجب ازدیاد سرعت جریان در ریزمجرا می شود، در حالی که اثر ناچیزی بر توزیع پتانسیل الکتریکی دارد. همچنین مشاهده شد که در حالت بی بعد توزیع سرعت بدون لحاظ اثرات گرمای ژول در هر دو مقطع ذوزنقه ای و مثلثی بیشینه ی یکسانی دارد. در بررسی این دو مقطع مشخص شد که اثرات گرمای ژول صرفاً در میدان های الکتریکی زیاد موجب تغییرات شدید می شود و این در حالی است که اعمال این میدان ها در حوزه های کاربردی جریان های الکترواسمتیکی غیر ممکن است. سپس در حالت دوم بدون لحاظ فرض توسعه یافتگی، این اثرات بر جریان الکترولیت درون یک ریزمجرای تخت با بار ناهمگن دیواره به صورت های افزایش خطی، کاهش خطی، سهموی و بارهای تکه ای، مورد بررسی قرار گرفته است. در این وضعیت با توجه به توسعه نیافتگی هیدرودینامیکی و یونی باید در معادلات ممنتوم اثرات توزیع محوری فشار لحاظ شوند، همچنین با توجه به عدم صادق بودن توزیع نمایی بولتزمن برای غلظت یو ن های مثبت و منفی لازم است معادلات ارنست-پلانک برای تعیین توزیع غلظت یون ها حل شوند. نتایج نشان می دهد زمانی که بارهای دیواره ها همنام و دارای توزیع پیوسته در سراسر ریزمجرا باشند هیچ گاه در جریان الکترواسمتیکی گردابه ایجاد نمی شود اما در حالات خاصی که بارهای دیواره ها به لحاظ بار یا علامت ناپیوسته و یا دارای چینش نامتقارن باشند، در میدان جریان گردابه ایجاد می گردد. همچنین مشخص شد در این حالت نیز، لحاظ اثرات گرمای ژول موجب افزایش دما درون ریزمجرا می شود. این افزایش دما با توجه به وابسته بودن معادله ارنست-پلانک به دما موجب کاهش غلظت یون های مثبت و افزایش غلظت یون های منفی در کنار دیواره ها می شود و در نتیجه توزیع چگالی بار خالص الکتریکی کاهش می یابد. این کاهش در توزیع پتانسیل الکتریکی درون لایه دوگانه الکتریکی اثر می گذارد و این در حالی است که توزیع پتانسیل الکتریکی خارجی وابسته به دما نمی باشد و مستقل است. با این تغییرات نیروی حجمی الکتریکی وارد بر سیال درون ریزمجرا افزایش می یابد و موجب می شود توزیع سرعت درون ریزمجرا افزایش یابد. با این حال، این تغییرات که ناشی از اثرات گرمای ژول می باشند در میدان های الکتریکی واقعی اثرات کمی بر میدان جریان الکترواسمتیک دارند. در نهایت مطالعه حرارتی و دینامیکی یک ریزمخلوط گر غیرفعال تخت با بار ناهمگن سطحی به عنوان نمونه ای کاربردی از این گونه جریان های توسعه نیافته مورد بررسی قرار گرفته است. مطالعات نشان داد همین گرمای ژول کم، تأثیر قابل توجهی روی پارامتر های ریزمخلوط گر دارد و باید در ارزیابی ها مورد توجه قرار گیرد. همچنین مشخص شد، با انتخاب آرایش مناسب بارهای تکه ای ناهمگن، می توان ریزمخلوط گر الکترواسمتیکی با اختلاط قابل کنترل تولید نمود. مشاهده شد که رفتار چنین ریزمخلوط گرهایی تحت تأثیر نحوه آرایش بار الکتریکی ناهمگن و شدت میدان الکتریکی اعمالی می باشد.

در این پایاننامه، تعیین هندسه مرز در مسائل انتقال حرارت هدایتی به روش معکوس مورد بررسی قرار گرفته است. این مرز قسمتی از مرز خارجی یا حفره ای با اندازه، موقعیت و شکل مجهول درون یک صفحه مربعی است. بنابراین در این پایاننامه به این پرسش که اگر شرایط دمایی خاصی روی قسمتی از مرزهای یک سیستم مد نظر باشد، هندسه مرزها برای بوجود آوردن چنین توزیع دمایی به چه شکل خواهد بود؟، پاسخ داده میشود. این کار با محاسبه پی در پی دما روی مرز طراحی و انجام آنالیز معکوس به منظور کمینه کردن یک تابع هدف مناسب، در یک فرآیند تکراری انجام می پذیرد. تابع هدف برای m نقطه روی مرز طراحی بصورت جمع مجذور تفاضلات دمای تخمینی از دمای مطلوب تعریف می گردد. روند طی شده در این پایاننامه شامل تولید شبکه منحنی الخط، استفاده از روش حجمهای محدود در مختصات کلی جهت حل مسئله مستقیم هدایت و استفاده از الگوریتم جستجوی گرانشی نخبه گرا جهت کمینه کردن تابع هدف برای تخمین مرز هندسی مسئله مورد بررسی می باشد. برای ترسیم مرز خارجی یا حفره، با داده های محاسبه شده از الگوریتم جستجوی گرانشی نخبه گرا، از دو روش برازش داده ها یعنی منحنی های بزیر و بی- اسپلاین مکعبی استفاده می شود. در این پایاننامه دقت و کارایی الگوریتم جستجوی گرانشی نخبه گرا در تخمین هندسه مرز با استفاده از منحنی های بزیر و بی- اسپلاین مکعبی ارزیابی شده است. برای اثبات توانایی روش ارائه شده مثالهای عددی متعددی نیز بررسی می گردد. نتایج حاکی از آن است که بکارگیری هم زمان الگوریتم جستجوی گرانشی نخبه گرا و روش بزیر یا بی- اسپلاین مکعبی، در تعیین هندسه مرز خارجی یا تخمین موقعیت، اندازه و شکل یک حفره درون یک ناحیه مربعی، عملکرد بسیار مناسبی در تخمین مرز هدف دارد. همچنین استفاده از روش منحنی بی- اسپلاین مکعبی در مقایسه با روش منحنی بزیر، منجر به پاسخهای دقیقتر می گردد.

با پیشرفت تکنولوژی و افزایش سرعت کامپیوترها، مکانیک سیالات محاسباتی به عنوان بخشی مهم در روند طراحی، تبدیل شده است. امروزه یافتن یک مدل بهینه از میان مدل های موجود، دیگر مستلزم آزمایشات متعدد در تونل باد نمی باشد. سال هاست که روش های عددی بهینه سازی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته اند. یکی از این روش ها، روش گرادیانی است که به عنوان روشی موثر در بهینه سازی آیرودینامیکی شناخته شده است. در این مطالعه نیز از یک روش گرادیانی برای بهینه سازی آیرودینامیکی ایرفویل استفاده شده است. روش بهینه سازی ارائه شده در کار حاضر تابع هدف را با استفاده از حل متوالی معادلات درجه اول کمینه می کند. در هر دوره ی حل، زیر برنامه ی بهینه سازی، گرادیان تابع هدف را نسبت به پارامتر طراحی محاسبه کرده و پارامتر طراحی را در خلاف جهت گرادیان تغییر می دهد، سپس میدان حل توسط زیر برنامه تولید شبکه، شبکه بندی شده و جریان حل می شود. در آخر تابع هدف برای بررسی همگرایی محاسبه می شود تا در نهایت یک مدل بهینه حاصل گردد. معادلات اویلر به عنوان معادلات حاکم برای حل یک میدان جریان دو بعدی و تراکم پذیر استفاده شده است. معادلات حاکم بر پایه روش حجم محدود در شبکه بندی باسازمان منفصل شده اند. برای محاسبه شارها از روش تفاضل مرکزی و برای پیشروی در زمان، روش رانگ-کوتای 2 مرحله ای بکار رفته است. در نهایت معادلات به شکل پردازش موازی پیاده شده اند. در کار حاضر با استفاده از روش بهینه سازی گرادیانی، به طراحی معکوس ایرفویل های naca0010 و naca0014 با ایرفویل اولیه naca0012 پرداخته شده است. همچنین از طراحی مستقیم، برای بهینه سازی ایرفویل اولیه naca0012 به منظور کمینه کردن پسا، بیشینه کردن برآ در حالات مقید شده توسط سطح و بدون قید سطحی استفاده گردیده است. از این روش در حالتی که هدف، بیشینه کردن برآ به همراه کمینه کردن پسا با قید مساحت باشد، نیز استفاده گردید. مزیت این روش گرادیانی نسبت به روش های بهینه سازی ابتکاری، سرعت همگرایی بالای آن می باشد.

در این پایان نامه، موضوع جریان همرفت طبیعی اطراف استوانه هایی با سطح مقطع مختلف درون محفظه بسته مربعی به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در این شبیه سازی دمای بالاتر th برای استوانه داخلی و دمای پایین تر tc برای دیواره های محفظه فرض گردیده است. به دلیل این اختلاف دما، سیال عامل که در اینجا هوا در نظر گرفته شده است یک جریان همرفت طبیعی را در حضور شتاب ثقل درون محفظه به وجود می آورد. برای حل معادلات حاکم بر مساله ی فوق از روش حجم محدود استفاده گردیده است. در این حل برای ارزیابی توام جملات پخش و جابه جایی از طرح هیبرید و برای برقراری ارتباط بین میدان سرعت و فشار از الگوریتم simple استفاده شده است. معادلات به روش adi با استفاده از حلگر tdma به صورت خط به خط حل گردیده است. همچنین برای تولید شبکه ی مورد نظر از روش قدرتمند جبری استفاده شده است. برای اعتبارسنجی برنامه عددی نوشته شده، نتایج حاصل از حل با یک مقاله معیار یعنی مقاله کیم و همکاران مقایسه گردید که تطابق بسیار خوبی بین آنها مشاهده شد. جریان همرفت طبیعی می تواند از جنبه های متنوعی مورد بررسی قرار گیرد. یکی از این جنبه هایی که کمتر به آن پرداخته شده است بررسی تغییر سطح مقطع استوانه است که در مطالعه حاضر برای یک بیضی با نسبت های منظری مختلف بررسی گردیده است. از طرف دیگر تاثیر تغییر شعاع در یک استوانه دایروی بر نرخ انتقال حرارت از محفظه مورد مطالعه قرار گرفت و در انتها تاثیر تغییر مکان عمودی استوانه با دو سطح مقطع دایره و مربع مطالعه شده است. نتایج بررسی نسبت های منظری در استوانه بیضوی در سه عدد رایلی مختلف 1000، 10000 و 100000 نشان می دهد که با افزایش عدد رایلی و نسبت منظری استوانه نرخ انتقال حرارت از محفظه نیز افزایش یافته است. به عنوان مثال، با افزایش عدد رایلی از 10000 به 100000 برای استوانه بیضوی با نسبت منظری نیم، ناسلت متوسط حدود 80 درصد میزان اولیه و با تغییر نسبت منظری از صفر به یک در رایلی 100000، ناسلت متوسط حدود 40 درصد میزان اولیه افزایش یافته است. از طرف دیگر با بررسی حالات عایق و غیر عایق بودن نیمه های بالایی و پایینی بیضی نشان داده شد که برای حالتی که نیمه بالایی بیضی داغ است انتقال حرارت بیشتری از محفظه وجود خواهد داشت. در هنگام بررسی توزیع محلی ناسلت اطراف دیواره های محفظه در حضور استوانه بیضوی بدون عایق مشاهده شد که مقدار ناسلت در گوشه های محفظه ی مربعی تقریبا صفر است. این به معنای کمترین نرخ انتقال حرارت از این نواحی است. بعلاوه بررسی تاثیر تغییر مکان عمودی استوانه ها برای دو سطح مقطع دایره و مربع نشان داد که با دور شدن استوانه از مرکز محفظه به سمت دیواره های فوقانی و تحتانی، نرخ انتقال حرارت روند صعودی خواهد داشت. ولی این نرخ انتقال حرارت در حالتی که استوانه در نیمه پایین محفظه است از حالت نظیرش در نیمه بالایی بیشتر می باشد. برای نمونه ای از نتایج، در رایلی 100000 زمانی که استوانه دایروی از موقعیت مرکزی خود به اندازه 10 درصد h در راستای قائم به سمت بالا جابه جا می شود ناسلت حدود 5 درصد میزان اولیه افزایش می یابد در حالی که آن زمانی که به همین اندازه در راستای قائم اما رو به پایین جابه جا شود ناسلت به اندازه بیشتری یعنی به میزان 9 درصد میزان اولیه افزایش می یابد.

چکیده توسعه برنامه های کامپیوتری برای حل عددی معادلات حاکم بر پدیده الکترووتینگ می تواند بستر مناسبی برای توسعه فعالیت های پژوهشی-کاربردی مرتبط با این پدیده مهم باشد. در این پروژه تغییر شکل یک قطره آب تحت اثر پدیده الکترووتینگ بطور عددی مطالعه شده است. در این مدل سازی، برای حل معادلات ناویر-استوکس از روش حجم محدود و الگوریتم سیمپل سی، برای حل معادلات مربوط به تعیین سطح مشترک (معادله فرا رفت)، روش اف سی تی و برای محاسبه نیروی کشش سطحی، معادله مربوطه به روش سی اس اف استفاده شده است. در نهایت برای بهبود نتایج حل، شعاع انحنای سطح به کمک محاسبه تابع ارتفاع (مبتنی بر پارامتر کسر حجمی سیال) بدست آمده است. همچنین اثر پدیده الکترووتینگ به وسیله محاسبه تغییرات زاویه تماس قطره و سطح ناشی از این پدیده در حل وارد گردیده است. نتایج نشان می دهند که توزیع سرعت و فشار در طی مراحل تغییر شکل قطره تا حد زیادی متقارن است. همچنین در بررسی نتایج مشاهده گردید که در اثر تغییر ناگهانی زاویه تماس قطره، یک حرکت ضربانی در قطره ایجاد می گردد. در برخی از کاربردها این حرکت نامطلوب است؛ لذا باید در این حالت تغییر زاویه تماس به آرامی صورت گیرد.

توسعه برنامه های رایانه‏ ای برای حل عددی معادلات حاکم بر پدیده جریان روی قطره می تواند بستر مناسبی برای توسعه فعالیت های پژوهشی-کاربردی مرتبط با این پدیده باشد. در این پروژه اثر جریان هوا روی یک قطره آب دوبعدی بطور عددی مطالعه و شبیه ‏سازی شده است. در این شبیه ‏سازی، برای حل معادلات ناویر-استوکس از روش حجم محدود و الگوریتم تجزیه دو مرحله ای، برای حل معادلات مربوط به تعیین سطح مشترک (معادله فرا رفت) از روش اف سی تی و برای حل معادله مربوط به محاسبه نیروی کشش‏ سطحی، از روش سی اس اف استفاده شده ‏است. در نهایت برای بهبود نتایج حل، شعاع انحنای سطح به کمک تابع ارتفاع (مبتنی بر پارامتر کسر حجمی سیال) محاسبه شده است. نتایج نشان می دهند که زاویه تماس پویا نسبت به ایستا سرعت کنده شدن بالاتری را موجب می گردد و از دقت بالاتری برخوردار است. کاهش زاویه تماس و افزایش اختلاف زاویه های تماس پویا سبب افزایش سرعت کنده شدن می گردند و در مقابل افزایش اندازه قطره و جریان در حال توسعه، کاهش سرعت کنده شدن را در پی دارند.

از لحاظ تئوری ساده ترین روش انتقال سیال در مجراها اعمال گرادیان فشار است ولی در عمل با کاهش عرض مجرا استفاده از این روش با موانعی روبرو خواهد بود که در مواجهه با ابعادی در حد میکرون، استفاده از آن را غیرممکن می سازد. یک راهکار جالب و البته کارآمد برای انتقال سیال در ریزمجراها استفاده از پدیده الکترواسموتیک است. در این پایان نامه جریان الکترواسموتیک در یک ریزمجرای تخت دوبعدی موررد بررسی و شبیه سازی قرار گرفته است. سیال عامل در این شبیه سازی یک محلول الکترولیت با غلظت یونی متقارن است. معادلات حاکم بر این جریان، شامل معادله لاپلاس برای توزیع پتانسیل الکتریکی خارجی، معادله پواسون برای توزیع پتانسیل در لایه دوگانه الکتریکی، معادله نرست - پلانک برای تعیین توزیع غلظت یونی و معادلات پیوستگی و ناویر - استوکس برای میدان جریان می باشند. حل معادلات حاکم برای جریان تراکم ناپذیر پایای سیال نیوتنی با استفاده از روش لتیس بولتزمن صورت گرفته است که در آن یک سری از معادلات هم ارز با معادلات حاکم در دیدگاه مزوسکوپیک تعریف و سپس به کمک الگوریتم برخورد - انتشار حل می شوند. به طور خاص، در این پایان نامه دو مدل جدید و انعطاف پذیر از معادلات لتیس بولتزمن برای حل معادلات پواسون و نرست - پلانک معرفی شده است. برای ارزیابی صحت شبیه سازی عددی از حل های تحلیلی و عددی موجود استفاده شده است. پس از تایید صحت شبیه سازی اثرات ناپیوستگی بار سطحی دیوار روی جریان الکترواسموتیک مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. نتایج عددی نشان داده اند که ناپیوستگی بار سطحی مانع از پیدایش یک جریان کاملا توسعه یافته در طول مجرا می گردد و عملکرد متقابل نیروهای اصطکاکی و الکتریکی روی جریان سیال باعث ایجاد گرادیان فشار معکوس در طول مجرا خواهد شد. یکی از معایب جریان های الکترواسموتیک، ولتاژهای بسیار بالایی است که برای شکل گیری جریان مورد نیاز است. جریان های الکترواسموتیک موازی به عنوان یکی از راهکارهای پیش رو برای کاهش اختلاف ولتاژ مورد نیاز، از دیگر مسائلی است که در این پایان نامه مورد بررسی قرار گرفته است. در شبیه سازی این گونه جریان ها به کمک روش لتیس بولتزمن، مهم ترین چالش پیش رو، مدل سازی مرزی منحنی در شبکه کارتزین می باشد. در این پایان نامه طرح جدیدی از شرایط مرزی مبتنی بر برونیابی خواص ماکروسکوپی معرفی گردیده است که شبیه سازی مرزهای منحنی را در شبکه گرهی کارتزینِ لتیس بولتزمن فراهم می آورد. از آنجایی که مبنای این طرح خواص ماکروسکوپی سیال است، کاربرد آن تنها محدود به جریان سیال نبوده و قابل تعمیم به سایر خواص ماکروسکوپی نیز می باشد. به طور خاص در بحث جریان سیال معادلات شرط مرزی جدیدی ارائه شده است که با استفاده از یک تابع توزیعی اصلاحی، اعمال شرط عدم لغزش را در تمامی هندسه های دوبعدی مستقل از میزان ثابت تخفیف زمانی میسر سازد. این معادلات به تنهایی می توانند به عنوان شرط مرزی در هندسه های ساده دوبعدی همانند دیوارها، کنج ها و گوشه ها مورد استفاده قرار گیرند و یا در کنار برونیابی معرفی شده، مرزهای منحنی را شبیه سازی نمایند. طرح جدید شرایط مرزی به کمک بررسی یک سری از مسائل کلاسیک که حل های تحلیلی و عددی آن ها موجود است، اعتبارسنجی گردیده است. پس از اطمینان از صحت مدل شرط مرزی جدید، جریان های الکترواسموتیک موازی شکل گرفته در یک ریزمجرای تخت و در حضور دیوارهای باردار میانی مورد بررسی قرار گرفته است. اضافه کردن دیوار باردار به میانه مجرا، همزمان عوامل موافق و مخالف جریان را تقویت می نماید. در این پایان نامه ابتدا بر مبنای فرضیات ساده کننده، حلی تحلیلی برای شرایط جریان در حضور دیوار باردار میانی استخراج گردیده و سپس به کمک روش لتیس بولتزمن تمامی معادلات حاکم به طور عددی مورد ارزیابی قرار گرفته اند. نتایج تحلیل عددی نشان می دهد که رابطه تحلیلی استخراج شده، به خوبی می تواند تعداد دیوار باردار میانی مورد نیاز برای رسیدن به بیشترین میزان دبی را پیش بینی نماید.

در این پژوهش اثر تغییرات همزمان و مستقل طول های دو میدان الکتریکی و مغناطیسی بر گرمایش ژول و رفتار دینامیکی یک جریان دیناموهیدرومغناطیسی (ام اچ دی) به طور عددی شبیه سازی شده است. هندسه جریان ام اچ دی یک ریزمجرای دو بعدی بین دو صفجه موازی است و جریان مورد نظر تراکم ناپذیر، پایدار و آرام فرض شده است. نتایج مورد نظر در دو بخش ارائه شده اند، در بخش نخست خواص سیال از جمله هدایت الکتریکی و لزجت دینامیکی ثابت فرض شده است درحالی که در بخش دوم این خواص سیال تابع دما در نظر گرفته شده است. معادلات حل شده، شامل معادلات حاکم بر میدان جریان سیال و میدان های الکترومغناطیس با لحاظ نواحی نفوذ جانبی طولی است که به روش عددی حجم محدود منفصل شده است. ارتباط بین میدان های سرعت و فشار از طریق الگوریتم سیمپل برقرار شده و ارزیابی توأم جملات پخش و جابجایی در محل وجوه از طریق طرح قاعده توانی انجام یافته است. در عین حال یک حل تحلیلی جامع شامل توزیع سرعت، فشار و دما برای یک حالت خاص ارائه گردیده است. نتایج نشان می دهد که اثر نواحی نفوذ جانبی طولی میدان الکتریکی به مراتب بیشتر از نظیرش میدان مغناطیسی است. از طرف دیگر، افزایش گرمایش ژول باعث زیاد شدن سرعت جریان در ریزمجرا می شود. بعلاوه نتایج عددی نشان می دهد که با تغییر طول همزمان میدان های الکتریکی و مغناطیسی و لحاظ تابعیت دمایی خواص سیال (آب دریا)، برای جریان در یک مجرا به مقطع مستطیلی 1000 میلی متر مربع، شدت شار مغناطیسی 025/0 تسلا و قدرت میدان الکتریکی 20 ولت بر میلی متر، دبی عبوری به 250 میلی لیتر بر ثانیه و دمای میانگین کاسه ای از 25 درجه سانتی گراد ورودی به 40 درجه سانتی-گراد در خروج از مجرا می رسد. این در حالی است که با ثابت بودن خواص، حداکثر دبی و دمای میانگین به ترتیب 70 میلی لیتر بر ثانیه و 60 درجه سانتی گراد می باشد.

اخیراً تحقیقات علمی در حوزه مکانیک سیالات به سمت جریان های ریز (میکرونی) تمایل پیدا کرده است، در این زمینه تاکنون تجهیزات مختلفی که با ابعاد میکرو سروکار دارند، ساخته شده است. یکی از پرکاربردترین این وسایل ریز مخلوط گرها می باشند که به منظور ایجاد اختلاط در گونه های موجود در یک سیال به کار می روند. از آنجا که ساخت یا آزمایش یک دستگاه ریزمخلوط گر هزینه بر است، شبیه سازی و بهینه نمودن این وسایل پیش از ساخت امری ضروری است. در این پژوهش به بررسی چگونگی آمیختگی دو سیال با خواص ثابت درون یک ریز مجرا با استفاده از روش نوپای مرز غوطه ور-لتیس بولتزمن پرداخته شده است. معمولا ضریب پخش گونه های دو سیال در یکدیگر به قدری کم است که در ابعاد کوچک مجراها اختلاط کامل گونه ها حاصل نمی گردد. بنابراین به ریزمخلوط گری که راندمان اختلاط را افزایش دهد به شدت احساس نیاز می شود. در این پژوهش سعی بر آن است که با قرار دادن موانعی(دایروی یا سینوسی شکل) بر سر راه جریان سطح تماس بین گونه های مورد اختلاط زیاد شود، تا شاخص های اختلاط نظیر راندمان بهبود یابد. همچنین در این پژوهش یک طرح پیشنهادی و جدید برای اعمال شرط مرزی نوع دوم (مشتقی) در روش مرز غوطه ور- لتیس بولتزمن معرفی شده است. نتایج نشان می دهد با ایجاد غیر یکنواختی در دیواره های ریزمجرا راندمان اختلاط تا حدود 30 درصد افزایش می یابد. بعلاوه بکار گیری روش مرز غوطه ور لتیس بولتزمن به مراتب برای چنین مسائلی آسان تر اجرا می گردد. همچنین اعمال شرط مرزی مشتقی در اعداد اشمیت بالا در روش مرز غوطه ور بدون مشکل قابل اجراست. این در حالی است که در روش های دیگر مانند (مرز منحنی) برای اعداد اشمیت بالا با مشکل مواجه هستند.

در این تحقیق، برای حل میدان جریان سیال از روش لتیس بولتزمن استفاده شده است. در این روش، میدان جریان با استفاده از مدل دو بعدی با نه ذره (d2q9) و به کمک الگوریتم حل لتیس بولتزمن، در دو مرحله ی انتشار و برخورد حل می شود. یکی از بخش های مهم در این نوع حل، پیاده سازی شرط مرزی است. پیاده سازی شرط مرزی برای دو نوع مرز مختلف بیان می شود. یکی مرزهای ساده، که منطبق بر خطوط شبکه متعامد بولتزمن هستند و دیگری مرزهای پیچیده ای که منطبق بر خطوط شبکه بولتزمن نمی باشند. در این تحقیق پیاده سازی شرایط مرزی برای مرزهای پیچیده به دو روش مختلف اجرا شده است. روش اول شامل بلوک کردن بخشی از حوزه جریان که جسم تلقی می شود و اجرای نوعی میانیابی برای مرز منحنی است. در روش دوم از تکنیک مرز غوطه ور استفاده شده است. نتایج نشان داده است که استفاده از روش اول موجب ایجاد اغتشاشاتی کاذب می شود و دقت حل را کاهش می دهد. بعلاوه اجرای این روش برای مرزهای متحرک بسیار پر هزینه و دشوار است. به دلیل اینکه در این تحقیق شبیه سازی حرکت اجسام نیز مورد نظر است، بایستی از روش قدرتمند مرز غوطه ور استفاده شود. به منظور صحت سنجی ابتدا جریان هایی با اعداد رینولدز 20 و 40 اطراف یک استوانه ساکن شبیه-سازی شد که نتایج حاصل از آنها در مقایسه با نتایج دیگران از دقت خوبی برخوردار بودند. پس از آن به منظور اثبات درستی برنامه عددی نوشته شده برای شبیه سازی حرکت اجسام، حرکت یک استوانه تحت یک جریان برشی میان دو صفحه موازی شبیه سازی شد که نتایج آن بر نتایج مطالعات دیگران انطباق قابل قبولی دارد. در انتها پس از اطمینان از صحت برنامه عددی، به مسئله اصلی تحقیق که شبیه سازی اثر مگنس است پرداخته شد. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان داد که چرخش استوانه توأم با عبور جریان آزاد از روی آن باعث ایجاد نیروی برا می گردد که نهایتا منجر به جابجایی استوانه نسبت به امتداد اصلی جریان آزاد می شود. مقدار این جابجایی و جهت آن به پارامترهایی مانند مقدار و جهت سرعت جریان آزاد و سرعت زاویه ای استوانه بستگی دارد.

مطالعه حاضر به شبیه سازی جریان الکترواسموتیک با هدف بررسی اختلاط در یک ریزمجرای تخت می پـردازد. برای انجـام این مـدل سـازی و بـدلیل تـوزیع ناهمگن بـار الکتریکی دیـواره، معـادلات حـاکم شامـل نـاویر-استوکس، ارنست-پلانک، لاپلاس، پواسون و معادله غلظت به ترتیب برای حرکت سیال، بارهای الکتریکی یون ها، میدان الکتریکی خارجی، میدان الکتریکی داخلی و غلظت حل شده اند. استفاده از معادله ارنست-پلانک برای توصیف توزیع یـون های نـاحیه لایه دوگـانه الکتریکی منـجر به مـدل توسعه یابنده ارنست-پلانک و استفاده از توزیع بولتزمن برای این منظور، منجر به مدل توسعه یافته بولتزمن می شود. در مطالعه حاضر نتایج این دو مدل با یکدیگر مقایسه شده اند.