هدف از انجام این پایان نامه توسعه یک کد محاسباتی، به منظور شبیه سازی جریان جابجایی آزاد و انتقال حرارت از مدارهای چاپی الکترونیکی به روش شبکه بولتزمن، می باشد. هندسه مسئله به صورت دو بعدی ساده شده، به طوری که جریان در کانال عمودی با دو تیغه مستطیلی که به طور متقارن روی هر دو دیوار قرار دارد، مورد بررسی قرار گرفته اند. معادلات بولتزمن دو بعدی با دو مدل (زمان آرامش منفرد و زمان آرامش چندگانه) برای میدان سرعت و دما مورد استفاده قرار گرفته و نتایج آنها با هم مقایسه شده اند. لازم بذکر است که میدان دما با حل یک تابع توزیع جداگانه مدلسازی شده است. ابتدا، موانع به صورت دما ثابت شبیه سازی و اعتبار سنجی شده و سپس انتقال حرارت ترکیبی، در قسمت سیال به صورت جابجایی آزاد و در جامد به صورت انتقال حرارت هدایتی، مورد بررسی قرار گرفته است. اثرات نیروی بویانسی نیز با استفاده از فرض بوزینسک و اعمال نیروی حجمی وارد محاسبات شده است. جریان سیال آرام و سیال مورد بررسی هوا می باشد. در این تحقیق، تاثیر موقعیت موانع و ابعاد آنها ( طول و عرض) برای اعداد رایلی بین 5000 تا صد هزار روی میدان دما و سرعت مورد مطالعه قرار گرفته است. بطوریکه، شبیه سازی ها برای سه موقعیت ابتدا، وسط و انتهای کانال تکرار شده اند. جهت صحت سنجی نتایج نیز عدد ناسلت متوسط و محلی (روی دیواره) با نتایج موجود در مراجع مقایسه شده اند. نتایج، نشان می دهند که با افزایش عدد رایلی، میزان انتقال حرارت از دیواره ها افزایش می یابد و همچنین نرخ انتقال حرارت برای حالت انتقال حرارت ترکیبی نسبت به حالتی که تیغه ها دما ثابت باشند، کاهش می یابد.

معمولاً با عبور سیال در داخل لوله، سطح داخلی لوله با رسوب پوشانده می شود. ابتدایی ترین اثر وجود این بستر رسوب ،کاهش مساحت موثر عیور جریان می باشد. موضوع کار حاضر بررسی تاثیر حضور ذرات نانو در توصیف آستانه حرکت ذرات رسوب و همچنین انتقال بار بستر در جریان آرام لایه ای در داخل یک لوله می باشد. برای شبیه سازی انتقال رسوب ناشی از حرکت نانوسیال روی سطح بستر رسوب، از یک مدل دوفازی جهت توصیف انتقال رسوب استفاده شده است. مدلسازی عددی این فرایند در نرم افزار ansys fluent 12.0 با استفاده از از رژیم جریان آرام، تراکم ناپذیر و ناپایا انجام شده است. همچنین جهت اعتبار سنجی مدل مورد استفاده نتایج شبیه سازی در 4 حالت مختلف با درصد نانو ذره صفر با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شده است. نانو سیال مورد استفاده دارای 2 و 4 درصد نانوذرات اکسید تیتنیوم می باشد. نتایج نشان می دهد که استفاده از 2 درصد نانو ذره در سیال می تواند به طور متوسط سبب کاهش 6 درصدی دبی حجمی و کاهش 15 درصدی در مدت زمان فرسایش بستر به نصف ارتفاع اولیه بستر شود. این کاهش ها در استفاده از 4 درصد نانو ذره در سیال دارای مقادیر 11 و 44 درصد می باشند.

جریان در محیط متخلخل از پر کاربردترین جریان های طبیعی و صنعتی می باشد که مطالعات زیادی تا به امروز برای شناخت بیشتر آن انجام گرفته است. با توجه به این که در طبیعت اکثر جریان ها به صورت آشفته می باشند در مورد جریان در محیط متخلخل نیز این امر مستثنا نیست. هم چنین، شبیه سازی فیزیکی جریان آشفته در محیط متخلخل نیز توسط رهیافت های خاصی صورت پذیرفته که بیشتر آن ها با استفاده از مدل های صفر معادله ای یا معادلات میانگین گیری شده زمانی مدلسازی و بررسی شده اند. در همین زمینه و در راستای بهبود بخشیدن مدلسازی جریان آشفته در محیط متخلخل از رهیافت شبیه سازی گردابه های بزرگ استفاده شده و کمیتهای جدیدی مورد ارزیابی قرار می گیرند. هندسه تحت بررسی به عنوان سیلندرهایی با سطوح مقطع مربع، دایره و بیضی بوده که به صورت متناوب تکرار می شوند و تنها یک واحد ساختاری از مجموعه محیط متخلخل انتخاب شده تا بتوان هزینه محاسباتی را تا حد امکان کاهش داد. نتایج این مطالعه به بررسی تغییرات تولید انتروپی، ورتیسیته، گرادیان فشار، سرعت و کمیت q-criterion می پردازد که تعدادی از آن ها برای اولین بار در محیط متخلخل با دیدگاه میکروسکوپیک و روش شبیه سازی گردابه های بزرگ مورد بررسی قرار می گیرند (مانند تولید انتروپی). نتایج موجود نشان دهنده تغییرات انتروپی و ورتیسیته در هندسه های متفاوت به صورت هماهنگ با یک دیگر بوده و می توان استنباط کرد که افزایش گرادیان سرعت همانند تبدیل هندسه از سطح مقطع دایره به مربع، منجر به افزایش تولید انتروپی و نیاز به انرژی ورودی بالاتر برای تولید جریان در محیط متخلخل هستیم. به علاوه محاسبه q-criterion نشان می دهد که نقاط دارای فشار کمتر با گذشت زمان انرژی بیشتری از سیال را جذب می کنند و خصوصیات ورتکس گونه بیشتری را از خود نشان می دهند. هم چنین قابل توجه است که محیط های متخلخل متشکل از سیلندرهای با سطح مقطع مربع، دایره و بیضی به ترتیب دارای بیشترین جریان برشی دنباله و در نتیجه بیشترین درگ می باشند.

در تحقیق حاضر، انتقال حرارت جابجایی طبیعی نانوسیال در حضور میدان مغناطیسی یکنواخت بین محفظه مربعی و سیلندر داخلی، با روش شبکه بولتزمن شبیه سازی شده است. سیلندر داخلی در سه شکل مربعی، لوزی و دایره ای مورد بررسی قرار گرفته است. دیواره های محفظه مربعی در دمای ثابت سرد و سیلندر داخلی در دمای ثابت گرم قرار دارند. در شبیه سازی انجام گرفته، میدان جریان، دما و مغناطیس با حل همزمان توابع توزیع جریان، دما و مغناطیس محاسبه شده است.

در این پایان نامه واکنش کاتالیستی گاز در یک راکتور بستر ثابت که فرآیندی بسیار پرکاربرد در صنعت نفت و پتروشیمی می باشد، مورد بررسی قرار گرفته است. این پروسه شیمیایی شامل جریان سیال چند جزیی، انتقال حرارت و انتقال جرم به همراه واکنش شیمیایی روی سطوح محیط متخلخل می باشد. در این پایان نامه در ابتدا توابع سرعت، توزیع دما و توزیع کسر جرمی در کل هندسه راکتور اصلی بدست آمده است. پس از آن اهمیت دو پارامتر هندسی اساسی محیطهای متخلخل یعنی ضریب تخلخل و سطح مخصوص در عملکرد راکتورهای بستر ثابت مورد بررسی قرار گرفته است . در ادامه اهمیت چگونگی چیدمان اجزاء محیط متخلخل در عملکرد این راکتورها ارزیابی شده است. در نهایت عملکرد پنج راکتورهای بستر ثابت مورد بررسی در این پژوهش، با استفاده از نمودارهای نسبت تبدیل و اکنش دهنده به فرآورده ها بر حسب سرعت ورودی جریان و افت فشار ایجاد شده در راکتور آن هم بر حسب سرعت ورودی، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و بهینه ترین راکتور از میان این پنج راکتور مشخص شده است.