در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند ریخته گری و جوشکاری ، پدیده انجماد رخ می دهد. خواص فیزیکی ماده منجمد شده در درشت مقیاس به ساختار ماده در ریز مقیاس وابسته است. ریز ساختارهای تشکیل شده در حین انجماد به عوامل متعددی از جمله نرخ سرد کردن ، گرادیان دمادر سطح مشترک جامد ـ مایع، تنش سطحی و سرعت سطح مشترک بستگی دارد. برای اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان ماده منجمد شده و برای دست یابی به ماده ای با کیفیت مورد نظر نیازمند به کنترل فرآیندهای انجماد هستیم . یکی از مهمترین پارامترهایی که بر ریز ساختار ماده تشکیل شده تأثیر گذار است، سرعت سطح مشترک جامد ـ مایع در انجماد مواد خالص و ضخامت ناحیه دوفازی میانی در انجماد آلیاژهاست. لذا کنترل دو پارامتر مذکور برای حصول قطعه ای با کیفیت مورد نیاز در فرایندهای انجماد فلزات خالص و آلیاژها، هدف اصلی تحقیق حاضر خواهد بود . بنابراین محاسبه شرایط مرزی در سطوح قالب به گونه ای که منجر به دست یابی به سرعت مطلوب و همچنین ضخامت ناحیه میانی شود امری ضروری خواهد بود که این مسأله در دسته مسائل معکوس حرارتی طبقه بندی می شود. در اکثر پژوهشهای قبلی که در زمینه انتقال حرارت معکوس و کاربرد آن در مساله انجماد آلیاژها(جوشکاری و ریخته گری) انجام شده، اثر ناحیه میانی لحاظ نشده است. این ناحیه یک ناحیه دو فازی با خواص ترموفیزیکی متغیر بوده و وابسته به کسری از ماده است که به جامد تبدیل می شود. لذا در این رساله تلاش بر آن است که کنترل حرکت سطح مشترک جامد-مایع تحت حضور ناحیه میانی توسط روشهای انتقال حرارت معکوس صورت گیرد. در این تحقیق ابتدا تابع هدف بر مبنای اختلاف دمای بین دمای مطلوب و محاسبه شده در موقعیت مطلوب سطح مشترک تعریف شده و با استفاده از روش گرادیان مزدوج بهینه می شود. جهت جلوگیری از حل معکوس در سه ناحیه موجود، از فرمول بندی آنتالپی استفاده شده است. صحت روش و کد کامپیوتری نوشته شده ابتدا توسط اعمال شار حرارتی معلوم و ثبت دما در نقاط مشخصی از دامنه محاسباتی تایید و سپس کد تایید شده برای کنترل سرعت و شکل سطح مشترک در مختصات یک و دو بعدی استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشانگر این مطلب است که با اعمال شار کنترلی به صورت همزمان در دو مرز، به راحتی می توان ضخامت و حتی شکل ناحیه میانی را کنترل نمود. شار حرارتی بدست آمده برای کنترل ضخامتهای ثابت و متغیر ناحیه میانی نشان داد که در سمت جامد همیشه سرمایش و در سمت مایع بسته به ضخامت ناحیه نیاز به گرمایش نیز وجود دارد. از آنجا که کیفیت آلیاژ تشکیل شده در حین فرآیند انجماد به شدت به ضخامت ناحیه میانی وابسته است، نتیجه می شود که می توان با استفاده از روش پیشنهادی در این رساله به آلیاژهایی با کیفیت و خواص مکانیکی مطلوب برای کاربردهای مشخص دست پیدا کرد. بنا بر این رساله حاضر به عنوان یک کار تحقیقاتی دانشگاهی از اهمیت ویژه ای برخوردار است به نحوی که نتایج حاصل از آن می تواند در راستای رفع نیازهای صنایع مرتبط و بهبود کیفیت قطعات تولید شده مفید واقع شود.

ندارددر سال های اخیر، استفاده از سیستم های ذخیره انرژی گرمایی در کاربردهایی نظیر گرمایش و سرمایش آب، تهویه مطبوع و غیره بسیار مورد توجه بوده است. در چند دهه اخیر تکنیک های گوناگونی برای ذخیره سازی انرژی گرمایی بوجود آمده است. چنین سیستم هایی پتانسیل بسیار بالایی برای استفاده در تجهیزات مصرف کننده انرژی گرمایی دارند و از نقطه نظر اقتصادی، جایگزین های مناسبی برای کمک به واحدهای بزرگ مصرف کننده انرژی گرمایی می باشند. بطور کلی مخازن ذخیره انرژی گرمایی یک راه حل خوب در تصحیح عدم تطابق تولید و تقاضای انرژی است و می تواند نقش بسیار موثری در بهینه کردن مصرف انرژی و کارآمدی نیازهای زیست محیطی جامعه داشته باشد. یکی از پرکاربردترین روش های ذخیره انرژی گرمایی استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در مخازن ذخیره انرژی گرمایی نهان است. از جمله مزیت های این مواد گرمای نهان بالای آنها است که در نتیجه قابلیت ذخیره انرژی گرمایی زیادی را خواهند داشت. اما عیب اصلی آنها، یعنی پایین بودن ضریب هدایت گرمایی باعث می شود انتقال گرما در مواد تغییر فاز دهنده به ویژه در فرایند انجماد به کندی صورت گیرد. بنابراین روشهای گوناگونی از جمله استفاده از سطوح گسترش یافته یا پره ها برای بهبود آهنگ انتقال گرمای این مواد پیشنهاد شده است. به دلیل ناپایا و غیر خطی بودن مسأله انتقال گرما در مواد تغییر فاز دهنده و وجود مرز متحرک مایع- جامد، حل تحلیلی این نوع مسائل محدود به شرایط مرزی ساده برای مخازنی با شکل هندسی ساده و یک بعدی می باشد. بنابراین خلاء موجود در ادبیات فن برای مدل های تحلیلی- تقریبی در فرایند تغییر فاز و برای هندسه های مختلف و دو بعدی مخزن ذخیره انرژی گرمایی کاملاً احساس می شود. لذا هدف اصلی در کار حاضر ارائه یک مدل تحلیلی- تقریبی جهت بررسی فرایند انجماد در مخازن ذخیره انرژی گرمایی پره دار است. پر کاربردترین شکل هندسی این مخازن، مخازن مکعبی و مخازن استوانه ای است که در این کار، مدل های تحلیلی- تقریبی برای این نوع مخازن در هندسه دو بعدی با بکارگیری پره تخت و با شرایط مرزی مختلف ارائه شده است. همچنین یک مدل عددی بر اساس روش آنتالپی دو بعدی جهت مقایسه نتایج تحلیلی- تقریبی با نتایج عددی ارائه شده است. با استفاده از دو روش ذکر شده، مسأله انجماد در مخازن ذخیره انرژی با دو هندسه مستطیلی و استوانه ای توخالی تحلیل شده است. برای هر سه نوع شرایط مرزی گرمایی نتایج جهت پیش بینی موقعیت جبهه انجماد و توزیع دما در طول پره در زمان های مختلف و برای اندازه های مختلف مخازن بدست آمده که نشان دهنده تطابق بسیار خوبی بین روش تحلیلی و عددی می باشد. سپس زمان انجماد کامل مخزن برای شرایط مرزی گرمایی، هندسه و اندازه های مختلف بدست آمده است که در هر شرایط اندازه بهینه برای مخزن را می توان بدست آورد. با استفاده از تحلیل های صورت گرفته می توان تخمین اولیه خوبی برای طراحی مخازن ذخیره انرژی گرمایی در شرایط مختلف و یا سیستم های تهویه مطبوع بدست آورد.

هدف از ارایه این پایان نامه، بررسی اثر ترموفورسیس بر جریان لایه مرزی گاز-جامد مغشوش گذرنده از صفحه تخت افقی تحت سرمایش یا گرمایش می باشد. برای شبیه سازی جریان از مدل دو سیالی با در نظر گرفتن تأثیر متقابل دو فاز بر یکدیگر (ارتباط دو طرفه) استفاده شده است. اغتشاش در فاز سیال با بهره گیری از طول اختلاط پرانتل مدل گردیده است. تیوری ترموفورتیک در رژیم نزدیک به پیوسته (اعداد نادسن کوچک) مد نظر بوده است. برای ذرات ریز، ترم دیفیوژن براونی و نیروی براونی نیز لحاظ شده و ترم درگ با استفاده از ضریب تصحیح کانینگهام اصلاح گردیده است. اکثر تحقیقات در این زمینه بر روی هندسه هایی از جمله لوله ها، کانال ها و صفحات عمودی انجام پذیرفته است، همچنین اکثر مطالعات با دیدگاه لاگرانژی مسأله را مورد بررسی قرار داده اند. لذا در این پژوهش تلاش شده است به بررسی اثر پدیده ترموفورسیس بر ته-نشینی ذرات در جریان های لایه مرزی گاز-جامد مغشوش با استفاده از مدل دوسیالی به صورت دقیق تر پرداخته شود. معادلات حاکم بر جریان به صورت عددی و با استفاده از روش تفاضل محدود حل شده اند. نتایج خروجی شامل پروفیل های سرعت برای دو فاز، پروفیل های دما برای فاز سیال، تغییرات غلظت ذرات و نرخ ته نشینی ذرات در راستای عمود و موازی با دیواره می باشد و اثر پارامترهای مختلف نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد اثر وجود گرادیان های دمایی بالا بر ته نشینی ذرات و متعاقباً سایر مشخصه های لایه مرزی حایز اهمیت است.

در این پایان نامه به جریان دو فازی گاز حاوی ذرات جامد در حال گذر از روی یک صفحه تخت و لایه مرزی تشکیل شده به واسطه آن پرداخته می شود. جریان در محدوده رفیق مورد نظر است اما در قسمتی از کار اثر برخوردهای بین ذرات نیز به سیستم معادلات افزوده می شود بدین منظور از نگرش اویلری - اویلری به همراه ارتباط دو طرفه بین دو فاز استفاده می شود برای فاز سیال اغتشاش توسط مدل طول اختلاط پرانتل منظور شده است برای اضافه کردن برخوردهای ذرات با یکدیگر از تیوری جنبشی مواد دانه ای کمک گرفته می شود تا انرژی جنبشی نوسانی ذرات را که به واسطه دو عامل جنبش و برخورد در نقاط مختلف میدان انتقال می یابد. مدلسازی شود. ذرات به صورت کروی و هم اندازه با سطوح صاف فرض می شوند. که برخوردهای شبه کشسان بین آنها رخ می دهد. عمده پژوهشهای پیشین در این زمینه در هندسه هایی نظیر بسترهای سیلان انجام می گرفته اند. و در نزدیکی دیواره هایی که در تشکیل لایه مرزی دو فاز در کناره دیواره حضور فعال دارند مانند برخوردها مورد بررسی قرار گیرد. همچنین اثرات پخش ذرات نیز در ضرایب مختلف نفوذ در این پژوهش مطالعه شده اند. و انجام اصلاحاتی نیز برای حل شروط مرزی ضروری بوده است. مجموعه معادلات حاکم بر دو فاز به همراه معادله انرژیهای نوسانی ذرات به روش عددی تفاضل محدود با مرتبه خطای قطع دو حل شده اند. نتایج بدست آمده مشتمل بر پروفیلهای سرعت دو فاز، تغییرات غلظت شار ته نشینی ذرات و دمای دانه ای در راستای عمود و موازی با دیواره بوده و اثر پارامترهای مختلف بر پدیده مورد توجه قرار گرفته اند. نتایج نشان می دهند که بسیار نزدیک به دیواره، جایی که غلظت فاز جامد افزایش قابل توجهی نشان می دهد. اثر برخوردها می تواند بسیار حایز اهمیت باشد.

امروزه بکارگیری مدل های هدایت حرارتی دیگری به جای معادله ی فوریه برای مقیاس های زمانی و طولی شناخته شده است. در دو مدل متداول( cv: cattaneo vernotte و dpl: dual phase lag)، زمان های تاخیر برای اصلاح معادله ی فوریه در نظر گرفته می شود. در بخش اول این پایان نامه روشی برای اندازه گیری زمان های تاخیر بر اساس پاسخ فرکانسی پیشنهاد می شود. به خاطر مشکلاتی که در تولید و اندازه گیری فرکانس های بزرگ وجود دارد در مورد اعمال کوچکترین فرکانس لازم برای رسیدن به دقتی مناسب بحث می شود. نکات و روندی برای تعیین زمان های تاخیر با دقت مطلوب پیشنهاد می شود. در بخش بعد این پایان نامه، کوپلینگ انتقال حرارت و رطوبت تحت اثر معادله ی cv مطالعه می شود. معادله ی cv روی معادلات لوییکوف به عنوان معادلاتی کوپل شده، اعمال می شود. معادله ی که بدست می آید معادلات اصلاح شده ی لوییکوف(lc) نامیده می شود و با روشی ترکیبی تحلیلی-عددی حل می-گردد. نشان داده می شود که انتشار حرارت و جرم در میدان lc موجی است؛ لذا سرعت موج بدست می-آید. اعمال معادله ی cv به جای معادله ی فوریه در معادلات لوییکوف، آن را در پاسخدهی به پروسه های سریع حساس می کند. به علاوه اثر کوپلینگ انتقال جرم و انرژی بر تفسیر اثرات معادله ی cv نیز مورد ارزیابی قرار می گیرد. دیده می شود که حضور کوپلینگ انتقال حرارت و جرم، سرعت موج را نسبت به حالت غیر کوپل کاهش می دهد.

در این پایان نامه اصول اساسی داده برداری سه بعدی سرعت سنجی بر مبنای تصویر ذرات مورد مطالعه قرار گرفته است. با استخراج پارامترهای مهم این روش و اعمال تنظیمات دقیق آنها در روش اندازه گیری مذکور میدان جریان در نواحی به اندازه کافی دور از دهانه ورودی فن لانه سنجابی در صفحه پره پرهی خروجی روتور و ورود به حلزونی فن اندازه گیری و مورد بررسی قرار گرفته است.

جریانهای آشفته گاز همراه با ذرات جامد در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و زیست محیطی نظیر صنایع معدنی، شیمیایی، تبدیل انرژی و کنترل آلودگی هوا کاربرد دارد. در این پایان نامه برای پیش بینی خواص جریان آشفته گاز-جامد رو به بالا در یک لوله عمودی با شار ثابت و یک لوله افقی، مدلی سه بعدی به روش چهارطرفه اویلرین-لاگرانژین ارائه شده است. فاز گاز با معادلات متوسط زمانی رینولدز مومنتوم و انرژی و الگوی جریان آشفته k?-t?, k-t و فاز ذرات به صورت لاگرانژین و برخورد غیر الاستیک با روش مستقیم در نظر گرفته شده است. معادلات فاز گاز با الگوریتم سیمپل در مختصات سه بعدی استوانه ای روی یک شبکه جابجا شده حل شده اند. نتایج محاسباتی لوله عمودی در مورد سرعت گاز و ذره وانرژی توربولانس گاز برای ذرات 243um و 500 و نتایج حرارتی برای ذراتی با قطر 200um با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است و سپس خواص مهم هر دو فاز از قبیل پروفیل های سرعت، دما، شدت انرژی توربولانس هیدرودینامیکی و حرارتی گاز، شدت اغتشاشات هیدرودینامیکی و حرارتی ذره و توزیع غلظت شعاعی در نسبت بارها و رینولدزهای مختلف و در دو وضعیت بدون برخورد و با برخورد مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهد که برخورد ذرات تاثیر قابل ملاحظه ای بر مسیر حرکت ذرات می گذارد. در نسبت بارهای نسبتا پایین توزیع شعاعی سرعت و دمای ذرات و سرعت گاز در اثر برخورد یکنواخت تر می شود. برخورد ذرات در نسبت بارهای کم سبب کاهش عدد ناسلت می شود. ولی بطور کلی اثر برخورد ذرات روی میدان هیدرودینامیکی بسیار بیشتر از میدان حرارتی است. نتایح محاسباتی لوله افقی در مورد سرعت گاز و ذره و انرژی توربولانس گاز برای ذرات 200um با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است و سپس کمیتهای مهم هر دو فاز از قبیل پروفیل های سرعت، شدت انرژی توربولانس هیدرودینامیکی گاز، توزیع غلظت ذرات در نسبت بارها و رینولدزهای مختلف مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهد که افزایش نسبت بار و کاهش سرعت گاز ورودی، عدم تقارن نمودارهای کمیت های جریان را در مقطع لوله تشدید می کند و غلظت ذرات را در نزدیکی دیواره پایینی لوله افزایش می دهد.

لوله گرمایی وسیله ای برای انتقال حرارت با ضریب هدایت گرمایی خیلی بالا می باشد که انرژی گرمایی را به وسیله تبخیر و میعان یک سیال عامل با افت دمای ناچیز منتقل می کند. هنگامی که گرما به اواپراتور می رسد سیال عامل تبخیر می شود و یک گرادیان فشار در لوله ایجاد می کند. این گرادیان فشار باعث می شود بخار در طول لوله حرکت کند تا به کندانسور برسد. در کندانسور بخار میعان شده، گرمای نهای تبخیر آن آزاد می شود. سپس سیال عامل توسط فشار مویینگی از درون فتیله به اواپراتور باز می گردد. فشار مویینگی درون فتیله بر اثر کشش سطحی سیال عامل و تغییرات انحناء سطوح تماس مایع و بخار در اواپراتور و کندانسور ایجاد می شود. عوامل مختلفی وجود دارند که در انتقال حرارت لوله گرمایی ایجاد محدودیت می کنند. در این پایان نامه جریان مایع در محیط متخلخل لوله گرمایی مدلسازی و تحلیل شده است. فرض شده که جریان مایع به صورت دائمی، دو بعدی و لایه ای باشد و از نیروهای حجمی صرفنظر گردیده است، علاوه بر آن فتیله نیز ایزوتروپیک و همگن در نظر گرفته شده است. در این مسأله از روش عددی حجم محدود و الگوریتم سیمپل استفاده شده است و برای حل معادلات جداسازی شده حاکم، الگوریتم ماتریس سه قطری به صورت خط به خط در جهت محوری و شعاعی مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج حاصل با نتایج روش تحلیلی مقایسه شده و سپس اثر پارامترهای مختلف مانند توان حرارتی لوله گرمایی و محدودیت مویینگی، ضخامت فتیله، تخلخل فتیله و ضریب هدایت گرمایی موثر فتیله بررسی گردیده است.

اثر برخورد بین ذرات جامد در جریانهای گاز – جامد در بسیاری از موارد حتی در نسبت بارهای پایین قابل چشم¬پوشی نیست. در این پایان¬نامه برای شناخت و بررسی تاثیر و اهمیت برخورد ذرات, یک جریان مغشوش گاز- جامد رو به بالا در یک لوله عمودی با شار ثابت به روش چهارطرفه اویلرین- لاگرانژین شبیه سازی شده است. در این الگو علاوه بر در نظر گرفتن تاثیر دوفاز گاز- جامد روی هم در تبادل مومنتوم, انرژی, شدت توربولانس هیدرودینامیکی و حرارتی, تاثیر غلظت حجمی ذرات با متوسط¬گیری حجمی نیز در معادلات گاز وارد شده است. فاز گاز با الگوی جریان آشفته و حل معادلات مومنتوم و انرژی و دینامیک ذرات به صورت لاگرانژین و برخورد غیر الاستیک با روشهای مستقیم و آماری در نظر گرفته شده است. جهت بررسی تاثیر برخورد حرارتی ذرات در روش آماری عدد بی¬بعدی برای تعیین اثر پذیری حرارتی ذرات از میدان حرارتی گاز تعریف شده و یک رابطه تصادفی برای تولید مولفه اغتشاشی دما ذرات مجازی برای استفاده در روش آماری بدست آورده و نیز تابع احتمال برخورد ذرات برای برخورد حرارتی ذرات توسعه داده شده است. معادلات فاز گاز با الگوریتم سیمپل در مختصات استوانه¬ای روی یک شبکه جابجا شده حل شده¬اند. نتایج محاسباتی در مورد گاز و ذره و انرژی توربولانس گاز برای ذرات 243 و 500 و نتایج حرارتی برای ذراتی با قطر 200 با نتایج تجربی موجود مقایسه شده¬است. هدف اصلی پایان¬نامه شناخت دقیق پدیده برخورد ذرات و مشخص شدن تاثیر آن روی میدان هیدرودینامیک و حرارت هر دو فاز بخصوص در نسبت بارهای بالا که سرعت برنامه¬های برخورد مستقیم محدودیت دارد, است. در راستای رسیدن به این هدف، خواص مهم هر دو فاز از قبیل پروفیل¬های سرعت, دما, شدت انرژی توربولانس هیدرودینامیکی و حرارتی گاز, شدت اغتشاشات هیدرودینامیکی و حرارتی ذره و توزیع غلظت شعاعی ذرات در مدل¬های برخورد مستقیم و آماری در نسبت بارها, قطرها و رینولدزهای مختلف مقایسه شده¬اند. پس از اطمینان از دقیق بودن روش آماری, (که سرعت بیشتری از روش برخورد مستقیم دارد) از آن برای استخراج داده¬ها در نسبت بار بالا استفاده شده¬است. بررسی خواص حرارتی ذرات یک جریان آشفته برای ذراتی با چگالی و ظرفیت حرارتی-های مختلف شبیه سازی و نتایج مقایسه شده¬اند. برای بررسی افزایش شدت انرژی توربولانس در جریانهای با قطر ذره بالا از ترم منبع مدرن برای معادله انرژی توربولانس استفاده و برای معادله مقیاس زمانی توربولانس رابطه ترم منبع براساس ترم منبع کلاسیک استخراج و نتایج با ترم منبع کلاسیک مقایسه شده است. نتایج نشان می¬دهد که برخورد ذرات تاثیر قابل ملاحظه¬ای بر مسیر حرکت ذرات می¬گذارد. در نسبت بارهای نسبتا پایین توزیع شعاعی سرعت و دمای ذرات و سرعت گاز در اثر برخورد یکنواخت¬تر می¬شود. برخورد ذرات در نسبت بارهای کم سبب کاهش عدد ناسلت و در نسبت بارهای بالا سبب افزایش ناسلت می¬شود. ولی بطور کلی اثر برخورد ذرات روی میدان هیدرودینامیکی بسیار بیشتر از میدان حرارتی است. ذرات به لحاظ هیدرودینامیکی بیشتر از برخورد تاثیر می¬پذیرند تا از جریان ولی در میدان حرارتی ذرات بیشتر از میدان حرارتی پیروی می¬کنند و با این واقعیت که تمام ذراتی که با فرض جسم تکدما بررسی می¬شوند, در محدوده ذرات کوچک به لحاظ حرارتی محسوب می¬شوند, همخوانی کامل دارد. بنابراین استفاده از ترم منبع کلاسیک برای معادله انرژی توربولانس حرارتی درست است. کاهش ظرفیت حرارتی ذرات سبب افزایش شدت اغتشاشات حرارتی, دمای سیال و ذره می¬شود. کاهش چگالی ذرات سبب افزایش شدت اغتشاشات حرارتی, دمای سیال و ذره می¬شود. استفاده از ترم منبع مدرن کوپل کننده ذرات و انرژی توربولانس, افزایش توربولانس هیدرودینامیکی را بخوبی پیش¬بینی می¬کند. همچنین افزایش تاثیرات حرارتی ذرات بر سیال پیش بینی می¬کند.