مطالب ارائه شده در این پایان نامه، گزارشی از تلاش های آزمایشگاهی برای شناخت پارامترهای جریانی و هندسی اثر گذار بر روی نوفه ی جریانی پخش کن یک سامانه ی تخلیه گاز به محیط و اندازه گیری تلفات تراگسیل در شرایط بدون جریان در محفظه ی انبساطی می باشد. یکی از مواردی که باید در مورد طراحی صداخفه کن های تخلیه و پخش کن ها مد نظر قرار بگیرد پیش بینی و کنترل نوفه جریانی تولید شده است. هر سیستم مورد قبولی باید علاوه بر ایجاد تخلیه راحت قوانین زیست محیطی را نیز ارضاء کند. در این پژوهش نوفه ی جریانی حاصل از خروج گاز از یک دسته اوریفیس های عمود بر مسیر ورودی جریان که به داخل یک محفظه ی انبساطی هدایت شده و در نهایت به اتمسفر تخلیه می شوند مورد بررسی قرار می گیرد. چند مورد از پخش کن ها مورد مطالعه قرار گرفته اند تا اثر جریان و چند پارامتر هندسی را بر پارامترهای نوفه ی تولید شده (فرکانس و تراز فشار صوت) بررسی شود. اثر تغییر دبی خروجی به صورت گذرا، قطرهای مختلف سوراخ پخش کن، تعداد این سوراخ ها، اثرمحفظه ی انبساطی و اثر فاصله نقطه ی اندازه گیری تراز فشار صوت از جمله موارد مورد بررسی در این پژوهش می باشند. اندازه گیری نوفه، اندازه گیری تراز فشار صوت بوده و توسط تحلیل گرهای cpb و fft مورد تحلیل قرار گرفته است.و در نهایت با توجه به اینکه نوفه ی نهایی مجموع نوفه ی جریانی و نوفه ی تپشی است و این دو نوفه با هم قابل جمع می باشند در ادامه به بررسی روش های اندازه گیری تلفات تراگسیل و اندازه گیری آزمایشگاهی تلفات تراگسیل یک محفظه ی انبساطی بدون جریان اصلی پرداخته شده است.

تاکنون تلاشهای زیادی برای مدلسازی چرخه تولید توان درانواع موتور های احتراق داخلی انجام شده است. همچنین مدلسازی جریان گاز تراکم پذیر برای مسایل مختلف موضوع روز در دینامیک سیالات محاسباتی می باشد. تاکنون در زمینه مدلسازی جریان تراکم پذیر داخلی توفیقات خوبی حاصل شده و روشهای قابل اعتمادی ارائه شده است اما استفاده از این روشها به منظور ایجاد یک نرم افزار کامل برای مدلسازی چرخه کامل ترمودینامیکی موتور احتراق داخلی به عنوان یک ابزار محاسباتی قابل اعتماد موضوع روز می باشد این پروژه نیز به همین منظور تعریف و انجام شده است. استفاده از روش های شبه بعدی و صفر بعدی برای مدلسازی چرخه توان و استفاده از مدل های جریان گاز تراکم پذیر یک بعدی برای مدلسازی جریان گاز در مانیفلد های ورودی و خروجی در ارتباط با سیلندر، به علت زمان کم محاسباتی و نتایج بسیار خوب و نزدیک به محاسبات تجربی، در زمینه مدلسازی چرخه کامل ترمودینامیکی موتور بسیار متداول است. در این پژوهش به منظور مدلسازی جریان گاز تراکم پذیر از دو روش ترکیبی مک کورمک-مشخصه ها و شبکه بولتزمن-مشخصه ها بهره گرفته شده است. به منظور بررسی قابلیت روش ترکیبی مک کورمک-مشخصه ها اعتبار برنامه عددی با مقایسه نتایج مدلسازی با این روش و نتایج عددی و تجربی موجود مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا اعتبار روش برای اعمال صحیح اثرشرط مرزی متغیر با زمان به جریان، با شبیه سازی یک سیلندر یک بعدی که از یک طرف به مرز بسته و از طرف دیگر به مرز متغیر با زمان مرتبط است مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج عددی محاسبه شده با نتایج عددی معتبر موجود توانایی این روش برای اعمال صحیح اثر مرز متغیر بازمان را تأیید می کند. سپس اعتبار روش در محاسبه اثر امواج فشاری قوی که معمولاً در اولین لحظات باز شدن سوپاپ خروجی امکان وقوع آن هست با شبیه سازی جریان در یک سیلندر یک بعدی با یک مرز بسته و یک مرز با درصد باز شدگی ثابت مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج عددی با نتایج عددی معتبر موجود توانایی روش در تسخیر شوک را تأیید می کند. در نهایت به منظور تأیید کارایی روش شبیه ساز جریان گاز تراکم پذیر در تعامل درست با برنامه شبیه ساز چرخه توان، جریان خروجی از یک موتور یک سیلندر با استفاده از این روش ترکیبی که در ارتباط با سیلندرکار می کند شبیه سازی شده و نتایج با نتایج تجربی موجود مقایسه شده که دقت نسبتاً خوب کد را بیان می دارد. و در پایان نتایج مدلسازی برای یک موتور چهار سیلندر در دو حالت با وبدون همپوشانی سوپاپ های ورود و خروج گاز، برای فشار درون محفظه سیلندر و توضیع سرعت و فشار در نقاط ویژه ای از مانیفلد ورودی و خروجی و شار جرمی ورودی و خروجی به هریک از سیلندرها در یک چرخه کامل آورده شده و مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است است. برای بررسی قابلیت روش ترکیبی شبکه بولتزمن-مشخصه ها توانایی روش در محاسبه اثر مرز و تغییرات زیاد در چگالی با مدلسازی جریان درون یک لوله ضربه و مقایسه آن با نتایج عددی موجود معتبر مورد تأیید قرار گرفته است و در نهایت از این روش در شبیه سازی چرخه کامل یک موتور یک سیلندر استفاده شده است و نتایج برای شار جرمی ورودی و شار جرمی خروجی از سیلندر وفشار درون محفظه سیلندر آورده شده است.

با توجه به کاربردهای گسترده‏ای که افشانه‏ها در صنعت دارند، از جمله خنک‏کاری توسط آب‏پاش‏های افشانه‏ایِ فشار قوی، افشانه‏های رنگ‏پاش و یا فرآیند تزریق سوخت به داخل یک محفظه‏ی احتراق مانند سیلندر یک خودرو، مطالعات زیادی در این زمینه صورت گرفته است. به ویژه در بحث موتورهای احتراق داخلی، نقش افشانه‏ها بیش از پیش نمایان می‏شود، چرا که فرآیند پاشش سوخت و اتمیزه شدن آن ارتباط مستقیمی با راندمان موتور و کاهش مصرف سوخت و تشکیل آلاینده‏ها دارد. از این رو درک صحیح پدیده‏ی پاشش در افشانه‏ها و اتفاقی که برای قطرات بعد از برخورد با هم رخ می‏دهد از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‏باشد. بررسی و مطالعه‏ی پدیده برخورد قطرات در یک افشانه موضوعی بسیار دشوار و پیچیده است. پدیده‏ی برخورد قطرات از یک سو به خودیِ خود دارای ماهیتی پیچیده است و هنوز با وجود مطالعات گسترده‏ای که در این حوزه انجام گرفته است شناخت کاملی از فیزیک این پدیده در دست نمی‏باشد. از سوی دیگر، تحلیل های آزمایشگاهی و عددی این پدیده نیز بسیار دشوار و با محدودیت‏های زیادی روبرو است. به همین علت، تحقیقات در زمینه برخورد قطرات در افشانه‏ها کماکان از موضوعات و چالش‏های مطرح در علم مکانیک می‏باشد. در مدلسازی افشانه‏ها باید به عوامل فیزیکی گوناگونی توجه شده و در مدل عددی ارائه شده در نظر گرفته شود. از آنجا که پاشش، تعاملی است میان دو فاز نیاز به تحلیل یک جریان دوفازی می‏باشد. قطرات بعد از برخورد به هم، در اثر عوامل مختلف، ممکن است دستخوش اتفاقات گوناگونی، که با عنوان رژیم‏های برخورد شناخته می‏شوند، گردند. این رژیم‏ها در تعیین مشخصات قطرات بعد از برخورد به هم موثراند. از این رو در مدلسازی افشانه‏ها باید توجه ویژه‏ای به این مورد شود. همچنین پدیده‏های تبخیر، آشفتگی و درگ از دیگر عواملی است که تاثیری مستقیم در پدیده برخورد قطرات دارند که باید در مدل ارائه شده، اعمال شوند. در تحقیق پیش‏رو، فرایند پاشش سوخت به داخل یک محفظه‏ی احتراق با کمک کد تجاری kiva4 مدلسازی شده و مورد بررسی قرار گرفته است. این کد که یک برنامه کامپیوتری به زبان برنامه‏نویسی فورترن بوده و حاصل بیش از سی سال تحقیقات می‏باشد، قادر به حل مساله های دوبعدی و سه‏بعدی جریان سیالات همراه با واکنش‏های شیمیایی و افشانه‏ی سوخت است. با وجود این که این کد بیشتر برای تحلیل موتورهای احتراقی گسترش پیدا کرده است، ولی می‏توان از آن در حل جریان‏های آشفته، آرام، مادون صوت، مافوق صوت و جریان‏های تک‏فازی و یا دوفازی نیز استفاده کرد. در فصل نخست این پایان‏نامه مقدمه‏ای در مورد افشانه‏‏ها، کاربردهای آن و پدیده‏ی برخورد قطرات در فرایند پاشش سوخت آورده خواهد شد. سپس به مرور اجمالیِ کارهای انجام شده در این زمینه توسط محققین مختلف پرداخته می‏شود. در فصل دوم این تحقیق به تئوری‏های مختلف در حوزه‏ی برخورد قطرات، از جمله ساختار افشانه‏ها، پارامترهای مهم در مدلسازی برخورد، رژیم‏های مختلف برخورد، مدل‏های مختلف ارائه شده در شبیه‏سازی فرایند برخورد، مدل‏های مربوط به آشفتگی، تبخیر و درگ، اشاره می‏شود. بعد از توضیح مختصری در مورد عملکرد کد kiva4 در تحلیل پدیده برخورد در فصل 3 و تعریف مساله در فصل 4، نتایج حاصل از حل عددی مساله در فصل 5 ارائه شده و به بحث و بررسی در مورد آن پرداخته می‏شود.

هدف از رساله حاضر بررسی شبیه سازی احتراق مخلوط اتانول و بنزین در موتور اشتعال جرقه ای می باشد. بدین منظور برای شبیه سازی پاشش سوخت و جریان موجود در سیلندر موتور از کد kiva-4 استفاده گردید و با ادغام این کد با نرم افزار chemkin شبیه سازی احتراق بهبود یافت. ضمنا برای درنظر گرفتن تأثیر اختلاط و آشفتگی از رابطه ای استفاده شده است که تولید گونه های حاصل از احتراق را به کمک مقیاسهای زمانی سینتیکی و آشفتگی اصلاح می کند. برای صحه گذاری شبیه سازی پاشش توسط کد kiva-chemkin داده های آزمایشگاهی نفوذ پاشش در یک محفظه بسته با نتایج شبیه سازی مقایسه شد و مقایسه آنها نشان از توانایی مناسب شبیه سازی پاشش در کد را داشت. همچنین برای صحه گذاری شبیه سازی احتراق، نتایج حاصل از اکسیداسیون مخلوط اتانول، تولوئن، ایزواکتان و هگزن در یک محفظه jsr با داده های آزمایشگاهی مقایسه گردید که انطباق مناسبی با هم داشتند. درنهایت برای صحه گذاری احتراق در موتور اشتعال جرقه ای، موتور xu7 با بنزین خالص و مخلوط بنزین و اتانول مورد تست قرار گرفت که انطباق خوبی بین داده های آزمایشگاهی حاصل و نتایج شبیه سازی وجود داشت. بعد از اطمینان از صحت کد مورد استفاده، جهت بررسی تأثیر اختلاط اتانول و بنزین بر کارایی و آلایندگی موتور اشتعال جرقه ای، موتور xu7 در شرایط عملکردی مشابه با حالتی که سوخت آن بنزین است، در حالت پربار و با سرعتهای 2000، 2500 و 3000 دور بر دقیقه و با درصد اختلاط صفر تا سی درصد حجمی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان داد که با افزایش درصد اتانول در سوخت فشارداخل سیلندر، نرخ حرارت آزاد شده و توان موتور به دلیل افزایش بازده حجمی و نزدیک شدن نسبت هم ارزی به حالت استوکیومتریک افزایش می یابد. اما درصورتی که درصد اختلاط بیش از 15درصد حجمی شود، تأثیر ارزش حرارتی کمتر اتانول نسبت به بنزین به افزایش بازده حجمی و کاهش نسبت هم ارزی غالب شده و توان موتور کاهش می یابد.در ارتباط با آلایندگی موتور با افزایش درصد اختلاط اتانول، میزان غلظت co، hc و nox خروجی از موتور کاهش می یابد. دلیل این کاهش را می توان در کاهش دمای سیلندر بخاطر گرمای تبخیر بالای اتانول و همچنین احتراق نزدیک به حالت استوکیومتریک دانست. درنهایت با توجه به نتایج بدست آمده از شبیه سازی احتراق موتور xu7 با مخلوط اتانول و بنزین، درصد بهینه اختلاط در شرایط مورد مطالعه برای این موتور را می توان 15درصد حجمی درنظر گرفت.

چکیده: در این رساله با استفاده از روش آزمایشگاهی عملکرد احتراق پیش آمیخته کم پیچش (s<0.6) و پرپیچش (s>0.6) در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفته و اثر تغییر پارامترهای هندسی بر عملکرد و میزان تولید آلاینده¬های مشعل مطالعه شده¬است. همچنین به منظور دریافت بهتر اثرات تغییر پارامترها بر میدان جریان و رژیم شعله آشفته در مشعل پیچشی، جریان سرد (غیرواکنشی) و جریان واکنشی (احتراقی) با استفاده از نرم افزار فلوئنت مدلسازی شده و نتایج آن با داده¬های تجربی این تحقیق، ومطالعات مشابه مقایسه گردیده است. همچنین در این پژوهش تحلیل اگزرژی مشعل پیچشی و اثر هریک از پارامترها برمیزان بازگشت ناپذیری احتراق مورد مطالعه قرار گرفته است. به جهت بررسی تغییرات نسبت هم-ارزی و پارامترهای هندسی بر احتراق پیش¬آمیخته، تغییرات ? و فاصله درنگ (فاصله پیچنده از سرمشعل-l) با استفاده از تصویربرداری و پردازش آنها مطالعه شده و تغییرات رژیم شعله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در این مطالعه تاثیر فاصله درنگ بر عملکرد احتراق که تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته، بررسی شده ¬است. تاثیر فاصله درنگ بر بازه پایداری، میزان برخاستگی شعله، توزیع دما و نهایتاً میزان بازگشت ناپذیری مورد تجزیه تحلیل واقع شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند فاصله درنگ بر مقدار گرادیان سرعت محوری در پایین دست مشعل به طور مستقیم اثرگذار بوده و با افزایش فاصله درنگ، مقدار نرخ کشیدگی محوری کاهش می¬یابد. فاصله درنگ بر حد خاموشی شعله اثرگذار نبوده ولی در بازه عملکرد مشعل در حالت برخاسته تاثیر دارد و برای داشتن شعله¬ای برخاسته در تمامی نسبت های هم ارزی لازم است همواره در طراحی مشعل¬های پیچشی(l/r) >2.5 باشد. لذا نتیجه¬گیری می¬شود که در این نوع احتراق؛ علاوه بر عدد بی¬بعد پیچش، نسبت بی بعد فاصله درنگ (l/r)نیز بر عملکرد مشعل موثر است. همچنین نتایج نشان می¬دهند که شعله رقیق کم¬پیچش در حالت برخاسته توزیع مناسب و همگونی از گازهای داغ را در داخل محفظه احتراق ایجاد می¬کند. مقایسه نرخ بازگشت ناپذیری احتراق پیش¬آمیخته رقیق نسبت به احتراق غیر پیش¬آمیخته (پخشی) نشان می¬دهد مشعل¬های پیش¬آمیخته کم¬پیچش از دیدگاه قانون دوم به دلیل توزیع همگون دما عملکرد بهتری داشته و بازگشت ناپذیری کمتری دارند. در مقایسه میزان بازگشت ناپذیری مشعل پیش¬آمیخته کم پیچش با پرپیچش، نتایج نشان می دهند مشعل کم پیچش به دلیل رژیم برخاسته و پخشی شعله، میزان بازگشت ناپذیری کمتری داشته و انتقال حرارت به بدنه نیز در ظرفیت ثابت در مشعل کم پیچش از مشعل پرپیچش بیشتر بوده است.

مسئله تغییر فاز جامد-مایع یکی از مهمترین مسائل مهندسی می¬باشد که در زمینه¬هایی فراوانی از جمله گداخت و قالب¬ریزی فلزات، سیستم¬های ذخیره انرژی، کنترل کننده¬های دمای قطعات الکترونیکی و غیره کاربرد دارد. نکته اصلی در این مسائل وجود مرز میان دو فاز جامد و مایع است که ضمن جذب و یا آزاد کردن مقدار انرژی گرمان نهان، در طول سیستم تغییر مکان می¬دهد. دشواری¬های حاصل از وجود این مرز سبب شده است که حل تحلیلی مسئله ذوب همراه با جابجایی طبیعی تنها در مسائل محدود و ساده شده ممکن باشد. مدلسازی عددی فرایند ذوب نیز نیازمند محاسبات سنگین و استفاده از شرایط مرزی بسیار پیچیده می¬باشد. خوشبختانه در دو دهه اخیر با معرفی روش قدرتمند شبکه بولتزمن و به واسطه شرایط مرزی قدرتمند و قابلیت¬های منحصر به فردی که این روش فراهم می¬آورد، مدلسازی بسیاری از مسائل پیچیده مهندسی و فرایند ذوب بسیار ساده¬تر و کم¬هزینه¬تر شده است. در تحقیق حاضر برای مدلسازی پدیده ذوب همراه با جابجایی طبیعی در یک محفظه مستطیلی از یک روش شبکه بولتزمن مبتنی بر روش آنتالپی با توابع توزیع دوگانه در دو حوزه جریان و دما استفاده شده است. در این تحقیق برای اولین بار اثر نسبت منظری بر زمان کلی ذوب در یک محفظه دارای زوایای موقعیت مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که نسبت منظری سیستم بر زاویه موقعیت بهینه اثر می¬گذارد و نشان داده شده است که بر خلاف گزارش¬های مراجع موجود، بهینه¬ترین زاویه، بزرگترین آن نیست. همچنین در تحقیق حاضر اثر تغییرات عدد پرانتل بر مجموعه¬ای از مشخصه¬های فرایند ذوب همراه با جابجایی طبیعی از جمله شکل خط ذوب، عدد ناسلت، توزیع دما و زاویه بهینه محفظه در بازه بزرگی از عدد پرانتل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که عدد پرانتل تأثیری بر زاویه بهینه محفظه نداشته و تأثیر آن بر مشخصه¬هایی نظیر شکل خط ذوب، عدد ناسلت و توزیع دما، با افزایش عدد پرانتل کاهش می¬یابد. بررسی اثرات عدد استفان نیز حاکی از آن است که این پارامتر تأثیری بر زاویه بهینه محفظه ندارد. همچنین در این تحقیق برای اولین بار یک مسئله ذوب مواد تغییر فاز دهنده دارای مذاب با خاصیت غیرنیوتنی مورد مطالعه قرار گرفته است. فرض بر این است که فاز مذاب پیرو قانون توانی بوده و اثرات پارامتر توانی بر تغییرات زمانی شکل خط ذوب، عدد ناسلت، و توزیع دما مورد بررسی قرار گرفته است. در آخر نیز یک رابطه تحلیلی-تجربی برای پیش¬بینی مقدار کمینه عدد ناسلت بر حسب خاصیت غیرنیوتنی و اعداد رایلی و استفان ارائه شده است که می¬تواند برای اعتبارسنجی کارهای عددی آینده مورد استفاده قرار گیرد.

اغلب مدلسازی های نشتی گاز که برای پی بردن به روند افت فشار و نرخ نشت گاز از محل سوراخی واقع در خط لوله گاز تاکنون انجام شده است، توسط مدلهای صفر بعدی مخزن و لوله می باشد. مدل صفر بعدی مخزن و مدل صفر بعدی لوله برای شبیه سازی نشتی به ترتیب زمانی مناسبند که سوراخ بسیار کوچک است و زمانی که یک شکستگی کامل به وجود آمده باشد. اما استفاده از این دو روش یا ترکیب آنها بیشتر برای شرایطی مناسب است که خط لوله بسیار طولانی است. همچنین در روش صفر بعدی نمی توان اثر مرزهای پیچیده تر را در محاسبه وارد نمود. در این پژوهش با استفاده از روش یک بعدی مشخصه ها جریان درون لوله ای که دچار نشت گردیده مدلسازی شده است. این مدلسازی نسبت به استفاده از هر یک از دو مدل مخزن و مدل لوله و یا ترکیب آن ها جامع تر است و می توان شبیه سازی جریان در لوله دارای نشتی را به خطوط لوله با طول کم و شرایطی که مرزها نیز تغییر می نمایند، بسط داد. محاسبه حجم گاز خروجی پس از بروز حادثه از موارد با اهمیت در برآورد میزان خسارت است. در ادامه به منظور بررسی صحت نتایج، از نرم افزار hysys جهت شبیه سازی تخلیه گاز از سوراخی واقع در خط لوله استفاده شده و نتایج مقایسه گردیده اند.

هدف از این پروژه ارائه نرم افزار توسعه داده شده جهت شبیه سازی فرآیندهای صورت گرفته در یک سیکل کامل موتور اشتعال جرقه ای و مطالعه عملکرد آن است . فرآیندهای جریانی نظیر مکش ، تخلیه و روبش با مدل پر و خالی شدن شبیه سازی شده اند. در این مدل فرض می شود که در فاصله های زمانی بسیار کوچک فرآیند بصورت شبه دایمی عمل می کند، لذا می توان معادلات اصل بقاء جرم و انرژی را برای یک حجم کنترلی معین نوشت . اجزاء در نظر گرفته شده در این شبیه سازی شامل: سیلندرها، کاربراتور، مانیفلد ورودی و مانیفلد خروجی می باشد. در شبیه سازی کامپیوتری معادلات بقاء جرم و انرژی و معادله گاز کامل برای سیال عامل به شکل دیفرانسیلی نوشته و نهایتا" با انتگرال گیری عددی بر روی تغییرات کوچک زاویه میل لنگ حل می شوند. نتایج برای موتور پیکان 1600 که اطلاعات آن در اختیار بوده، بدست آمده و با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه گردیده است .