حل عددی معادلات جریان تراکم ناپذیر به دلیل گستره کاربرد صنعتی فراوانی که دارند، همواره مورد توجه محققین بوده است. روش حجم محدود به عنوان یک ابزار قدرتمند در تحلیل معادلات جریان سیال و انتقال حرارت، در دهه های اخیر پیشرفتهای قابل توجهی داشته است. در این تحقیق با استفاده از مفهوم مشخصه های جریان، روش عددی حجم محدود- مشخصه برای مدلسازی معادلات نفوذ- جابجایی ارائه شده است. این روش با به کارگیری ترمهای پایدارساز در معادله نفوذ- جابجایی، امکان مدلسازی پدیده های نفوذ و جابجایی را با استفاده از تقریبهای مرکزی در همه رژیمهای جریان، از جمله جریان جابجایی حاکم فراهم کرده است. با ترکیب روش حجم محدود - مشخصه و روش تجزیه، روش عددی حجم محدود تجزیه - مشخصه، جهت مدلسازی معادلات ناویر- استوکس تراکم ناپذیر و انرژی ارائه شده است. این الگوریتم به دو صورت کاملا صریح و نیمه ضمنی بر روی شبکه های باسازمان یکجا پیاده سازی شده است . در نسخه کاملا صریح از مفهوم ضریب تراکم پذیری مصنوعی و گام زمانی دوگانه نیز استفاده شده است . طیف وسیعی از مسائل نفوذ- جابجایی و مسائل جریان تراکم ناپذیر با استفاده از الگوریتم های حجم محدود - مشخصه و تجزیه- مشخصه بصورت عددی حل شده اند. مقایسه نتایج حل عددی با مراجع موجود، نشان دهنده عملکرد موفقیت آمیز این الگوریتم ها میباشد.

در میان روش های گوناگون حل جریان ایده آل حول باله ها، روش پانل به علت سادگی و قابلیت تطابق با هندسه های گوناگون، همواره از روش های عددی پر کاربرد در حل مسائل ایرودینامیک بوده است. با این وجود، روش پانل هیچ گاه به عنوان یک زیر مجموعه مستقل از روش های المان مرزی برای حل مسائل هدایت حرارتی پایا، بکار گرفته نشده است. هدف این پژوهش در وهله اول، ارزیابی قابلیت استفاده از روش پانل در حل مسائل هدایت حرارتی پایا، با هندسه و شرایط مرزی گوناگون، است. ارزیابی کارایی روش پانل در حل مسائل جریان ایده آل درون مجاری، هدف دومی است که در این پژوهش، به دنبال آن خواهیم بود. حل این گونه جریان ها، نظیر جریان ایده آل درون نازل ها، دیفیوزر ها و زانویی ها، جزء مسائل پر کاربرد در مهندسی محسوب می شود. مهندسان در طراحی مستقیم و معکوس این گونه مجاری، به علت پیچیدگی حل جریان های لزج، ترجیح می دهند جریان درون اینگونه مجاری را ایده آل فرض کنند. حل جریان ایده آل درون مجاری کوتاه، با هندسه و شرایط مرزی گوناگون، هدف دوم این پژوهش را تشکیل می دهد. ارائه الگوریتم تکراری برای حل جریان لزج در حال توسعه داخلی از دیگر کار های انجام شده در این پژوهش است. در این الگوریتم از روش پانل به عنوان حل گر جریان غیر لزج استفاده می شود. در پایان این پژوهش، دقت عددی روش پانل با تغییر در اندازه پانل ها مورد ارزیابی قرار گرفته است.

الکترودهای جوشکاری مربوط به روش قوس الکتریکی دارای یک میله فلزی مرکزی (سیم جوش) و یک ماده پوشش دهنده هستند که در فرآیند تولید به صورت پودر و خمیر درآمده و سیم جوش را می پوشاند. این خمیر متعاقباً در یک کوره صنعتی پخته می شود. مدت زمان پخت و تبادلات حرارتی در طول این مدت عوامل مهمی هستند که بر کیفیت محصول نهایی اثر می گذارند. با توجه به حضور همزمان صد ها الکترود در کوره، پیچیدگی های هندسی و نیز وجود همزمان مکانیزم های مختلف انتقال حرارت، محاسبه تبادلات حرارتی در کوره با روشی مناسب که دقت کافی و هزینه قابل قبولی داشته باشد، ساده نیست. هدف این پروژه، مدلسازی پدیده انتقال حرارت در یک کوره پخت الکترود و بررسی پارامترهای اثرگذار بر کیفیت فرآیند پخت با روشی ارزان و با دقتی قابل قبول است. ویژگیهای اصلی تحقیق حاضر عبارتند از: 1- موضوع تحقیق مورد نیاز یکی از صنایع کشور است. 2- در این زمینه خاص، کار مشابه قبلی وجود ندارد. 3- استفاده همزمان از کدهای تجاری و برنامه های کامپیوتری شخصی در حل مسئله، امکان پذیر می باشد. نتایج حل عددی در چند گروه قرار می گیرند: الف) نتایج مربوط به دقت و کیفیت همگرایی حل عددی ب) نتایج مربوط به میدان های سرعت و فشار سیال ج) نتایج مربوط به توزیع انرژی کوره و دمای الکترودها د) نتایج مربوط به آنالیز حساسیت دمای الکترودها نتایج بند (الف) حاکی از این است فرایند حل با دقت خوبی همگرا شده است. از نتایج بندهای (ب) و (ج) می-توان به صورت جزئی عملکرد کوره را از دیدگاه های مختلف آنالیز نمود. در نهایت دو حساسیت دمای الکترودها نسبت به دما و سرعت هوای ورودی به کوره بررسی گردید. با توجه به سرعت بالای حل توسط روش مطروحه، دیگر دقت و مدت زمان انجام شبیه سازی دغدغه صنعتگران نخواهد بود و می توان کوره های پیوسته را به سرعت تحلیل و بررسی نمود.

یافتن پروفیل ایرفویلی که توزیع فشار تعیین شده توسط طراح را در جریان سیال تولید کند، به عنوان یکی از مسائل معکوس طراحی شکل، از سال ها پیش مورد مطالعه ی محققان قرار گرفته است. به غیر از روش های تجربی طراحی، استفاده از انواع الگوریتم های بهینه سازی برای حل این مسئله توسعه داده شده اند. رقابت اصلی در انواع الگوریتم های بهینه سازی در کاهش هزینه محاسباتی این روش-هاست. الگوریتم طراحی مستقیم شکل روش محاسباتی جدیدی است که با استفاده از معادلات حاکم بر جریان، معادله ای برای تغییر شکل اولیه ارائه می دهد و شکل متناظر با توزیع فشار مطلوب را بدست می آورد. هزینه ی محاسباتی این روش بسیار کمتر از سایر روش های موجود بوده و با هزینه ی حل یک مسئله آنالیز هم مرتبه است. در تحقیق حاضر که با هدف توسعه الگوریتم طراحی مستقیم شکل انجام گرفته است، این الگوریتم در شبکه بی سازمان و در جریان های ایده آل و پتانسیل تراکم پذیر با موفقیت اجرا و فرمولاسیون مناسبی برای اعمال آن در جریان لزج نیز توسعه داده شده است. برای اجرای این الگوریتم طراحی در جریان لزج، ابتدا معادلات نویر استوکس با استفاده از eb-fvm و به شیوه ای نو گسسته شده سپس تغییرات لازم برای اجرای الگوریتم طراحی مستقیم عنوان شده است. همچنین پیشنهاد جدیدی در مورد نحوه ی اعمال شرط مرزی در جریان لزج غیر قابل تراکم ارائه شده است. بررسی الگوریتم طراحی مستقیم در جریان لزج به ارائه روش فرمولاسیون گذرا در مسئله طراحی منجر گردید که در جریان پتانسیل تراکم پذیر با موفقیت به اجرا در آمده است. مقایسه ای نیز میان مسئله طراحی شکل و مسئله جریان با سطح آزاد انجام و دلایل احتمالی برای عدم همگرایی الگوریتم طراحی مستقیم در جریان لزج در مطالعه حاضر مورد بحث قرار گرفته اند.

در فصل اول ساختار سیستم کرایوکولر لوله پالسی تشریح شده است. یخچالهای لوله پالسی جزو خانواده بزرگی از یخچالهای کرایوژنیکی هستند که قابلیت های بالقوه ای در رسیدن به دماهای پایین دارند. یخچال لوله پالسی به واسطه فقدان عضو متحرک در ساختمانش باعث شده است که دارای ساختمانی ساده، هزینه ای به مراتب پایین تر و طول عمر بالا باشد. در فصل دوم مروری بر کارهای انجام شده تجربی و عددی در ارتباط با سیستم کرایوکولر لوله پالسی صورت گرفته است. در فصل سوم نحوه گسسته سازی معادلات حاکم بر سیستم توضیح داده شده است. در این فصل با توجه به این که مولد نوسان فشار سیستم، کمپرسور است، مش اول را متحرک و سایر مش ها ثابت در نظر گرفته شده است. فشار از ترکیب معادله حالت و پیوستگی بدست آمده و در معادله ممنتوم قرار داده شده است. از حل همزمان سه ماتریس حاصل از گسسته سازی معادله ممنتوم، معادله انرژی گاز و معادله انرژی جامد( که فقط برای جامد بازیاب حل می شود) ، دبی جرمی، فشار ، دمای گاز و دمای جامد بازیاب بدست آمدند. در فصل چهارم علاوه بر مش اول که کمپرسور است ، سایر حجم های کنترل نیز با سرعتی که تابعی از حرکت کمپرسور است حرکت داده شده اند و پس از گسسته سازی معادلات و حل ماتریس ها مجهولات بدست آمدند. در فصل پنجم نتایج حاصل از دو روش ارائه و با مرجع مقایسه شده اند.

استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای پیش بینی جریان های غیرقابل تراکم، به دلیل ناپایدار بودن میدان فشار حاصله همواره با یک چالش جدی مواجه بوده است. بگونه ایکه طی دو دهه گذشته، حل این چالش موضوع تحقیقِ محققین بسیاری قرار گرفته و البته در این میان، همچون سایر موضوعات علمی سیر تکاملی خود را پیموده است. محور اصلی این پایان نامه توسعه یک روش محاسباتی جدید مبتنی بر فشار، بر روی شبکه های یکجا جهت حل جریان سیال می باشد که در آن تنها از یک مفهوم سرعت استفاده شده است. ویژگی های مذکور، یعنی مبتنی بر فشار بودن، استفاده از شبکه های یکجا و نیز استفاده از تنها از یک مفهوم سرعت، این روش را از سایر روش های مشابه که توسط سایر محققین ارائه شده است کاملا متمایز کرده و برتری می دهد. پایان نامه پیش رو نتایج تلاشی است که جهت گسترش این روش که روش مبتنی بر استفاده از معادلات کمکی مناسب نامیده شده است، در جریان تراکم ناپذیر لزج در حالت پایا و دو بعدی، در شبکه های باسازمان و بی-سازمان صورت گرفته است. نتایج حاصل از پیاده سازی این روش روی مسائل نمونه متنوع همگی حاکی از کارایی این روش در حل مشکل میادین نوسانی فشار است. ضمن اینکه با وجود انتخاب شبکه های درشت، به دلیل تقریب کمیت های نقاط انتگرال گیری بر مبنای معادلات فیزیکی، نتایج از دقت بسیار بالایی نیز برخوردارند.

در پروژه حاضر اندرکنش جریان مغشوش و موج ضربه ای مورد توجه قرار گرفته است. بدین منظور جریان های آشفته ای با شدت اغتشاشی و طول مشخصه اغتشاشی متفاوت تولید و اثر آنها بر روی شوک مورد بررسی قرار گرفته است. از روش های عددی با مرتبه دقت بالا برای گسسته سازی زمانی و مکانی استفاده شده و معادلات ناویر استکوس در حالت دو بعدی به صورت عددی حل شده است. در جهت عمود بر موج ضربه ای از یک حلگر بسیار دقیق با روش ذاتی بدون نوسان با دقت مرتبه شش استفاده شده که قادر به تسخیر ساختارهای ریز موج ضربه ای باشد. از ویژگی های اساسی این روش که آن را از سایر روش های هم دسته خود همانند کاهش دهنده مجموع تغییرات متمایز می کند، حفظ مرتبه دقت در عبور از ناپیوستگی ها می باشد. در جهت موازی با شوک از روش pade مرتبه شش به علت حفظ مرتبه دقت در اعداد موج بالا و برای انتگرال گیری زمانی از روش رونگ کوتای مرتبه سوم استفاده شده است. شوک باعث افزایش سطح انرژی آشفتگی در پایین دست می شود که با طول موج مشخصه اغتشاشات شروع به کاهش می کند. همچنین افزایش انرژی اغتشاشات ورودی باعث جابجایی محل شوک در راستای جریان می شود.

یکی از قدیمی ترین و پر استفاده ترین مصالح برای ساختن خانه "آجر" است. بشر از قرن ها پیش از آجر استفاده می کرده است. برای تولید آجر، باید خشت خام تولید شده از خاک را پخت. به عبارت دیگر تولید آجر یک فرآیند انرژی بر است. با گسترش روز افزون صنایع در دنیا و افزایش جمعیت و از طرف دیگر با توجه به منابع رو به اتمام سوخت های فسیلی، بهینه سازی مصرف انرژی هر روز به مسأله ای جدی تر تبدیل می شود. بنابراین نیاز به بهینه سازی روش های پخت آجر نیز هر روز بیشتر از گذشته احساس می شود. در این پژوهش، یکی از کوره های مدرن (پیوسته) پخت آجر موجود در کشور تحلیل شده است و راه هایی نیز برای بهتر شدن عملکرد و بازده آن ارائه شده و میزان تأثیر هریک نیز بررسی شده. ضمناً شیوه پخت مدرن با شیوه پخت سنتی مقایسه شده و مزایای آن ذکر شده است. همچنین در خلال انجام پژوهش از چهار شرکت تولید کننده آجر در کشور بازدید صورت گرفت. تحلیل کوره پیوسته پخت آجر با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام شده است.

گردباد یکی از مخرب ترین پدیده های طبیعی است که هر ساله خسارات فراوانی به بار آورده و عده ی زیادی را به کام مرگ می کشد؛ از این جهت در این مطالعه به بررسی عددی میدان آن پرداخته شده است. برای انجام این بررسی محفظه ی گردباد ورد به عنوان مهم ترین مدل آزمایشگاهی تولید کننده ی گردباد انتخاب شده است. برای بررسی آشفتگی جریان از مدل شبیه سازی گردابه های بزرگ (les) استفاده شده است. با تغییر پارامتر نسبت چرخش که معیاری از سرعت مماسی در ورودی جریان و مهم-ترین عامل کنترل دینامیک گردباد می باشد، تغییر مولفه های سرعت و شدت آشفتگی بررسی شده است. با افزایش این پارامتر تا یک مقدار بحرانی، مشاهده شده است که مولفه های سرعت و آشفتگی جریان در نواحی سطحی افزایش می یابد. افزایش بیشتر نسبت چرخش هر دو مولفه ی متوسط و نوسانی سرعت را کاهش می دهد، در حالی که ناحیه ی تحت تاثیر وسیع تر می شود. همچنین این پارامتر عامل کنترل ساختار گردباد و پدیده هایی چون چرخش چندگانه می باشد. در انتها با شبیه سازی گردباد متحرک با نسبت چرخش کم، الگوهای تخریب آن بررسی شده است. مهم ترین نتیجه ی این شبیه سازی، انحراف ناحیه ی بیشترین تخریب به سمت راست جهت حرکت گردباد در گردباد با چرخش پادساعتگرد و اهمیت شتاب در تخریب سازه های کم ارتفاع می باشد.

توربین‎های گاز محوری در موارد گوناگونی از جمله سیکل‎های تولید توان، سیستم‎های انتقال گاز و موتورهای پیشرانش جت‎ها کاربرد دارند. برای پیش‎بینی عملکرد توربین‎های موجود یا برای طراحی توربین‎های جدید، ابزارهای محاسباتی مختلفی مورد نیاز است. مدل‎های ساده کلاسیک جریان، در کنار روابط نیمه‎تجربی آزمایشگاهی، ابزارهای مفید و کم‎هزینه‎ای را برای تعداد محدودی از ساختارهای موجود توربین‎ فراهم می‎آورند. از طرف دیگر، روش‎های دینامیک سیالات محاسباتی(cfd) ، به نسبت دارای قابلیت کاربرد عمومی‎تری هستند، اما در بسیاری از موارد از نظر هزینه محاسباتی مقرون به صرفه نیستند. در این پژوهش ابتدا سعی شده است که روش‎های گوناگون تحلیل عملکرد توربین جریان محوری، از گذشته تا حال مرور شوند. برای بررسی نتایج تحلیل این روش‎ها، تعدادی کد کامپیوتری توسعه داده شده است. این کدها، شامل مدل‎های تحلیل عملکرد یک بعدی، شبه‎ یک‎بعدی و دوبعدی انحنای خطوط جریان(slcm) می‎شوند. از نرم‎افزار تجاری ansys-cfx نیز برای انجام محاسبات مدرن cfd سه بعدی بهره گرفته شده است. دستاورد اصلی این پژوهش، ارائه روشی هیبرید بر مبنای روش انحنای خطوط جریان است که در آن هم از نتایج cfd و هم از داده‎های نیمه‎تجربی آزمایشگاهی، برای تحلیل عملکرد توربین جریان محوری چند طبقه استفاده می‎شود. الگوریتم ارائه شده قابلیت اجرا روی کامپیوترهای شخصی را دارد و به پروفیل‎های استاندارد پره محدود نمی‎شود. نتایج تحلیل دو توربین نمونه توسط روش‎های پیشین و روش هیبرید ارائه شده‎ است. با مقایسه این نتایج، جایگاه هر یک از روش‎ها مشخص شده و همچنین کاربردی بودن روش هیبرید تایید می‎شود. روش پیشنهادی، قابلیت خوبی در تحلیل عملکرد توربین جریان محوری، هم در شرایط طراحی و هم در شرایط خارج از طرح دارد.

افزایش سطح سلامت و بهبود کیفیت زندگی از دیرباز مورد توجه بوده و همواره تلاش های بسیاری برای برطرف کردن علت های بیماری های مختلف و درمان آن ها صورت گرفته است. امروزه با توجه به نوع زندگی از جمله تغییرات اساسی در نوع تغذیه و فعالیت فیزیکی و ... بیماری های مغزی عروقی رو به افزایش گذاشته و مشکل جدی برای جوامع امروزی ایجاد کرده است به طوری که بعد از بیماری های قلبی-عروقی و قبل از سرطان دومین علت مرگ و میر در دنیا می باشد. بیماری های مغزی عروقی در سال تنها در آمریکا سالانه 112 میلیارد دلار هزینه در بر دارد. هدف این تحقیق مدل سازی هندسی و حل عددی جریان خود در مهم ترین مجموعه شریان مغزی به نام حلقه ویلیس می باشد. حلقه ویلیس مستعد بیماری های مغزی-عروقی از جمله آنوریسم و آترواسکلروسیس می باشد، در ضمن هر گونه مشکل و یا نقص در خون رسانی توسط این شریان باعث ایجاد سکته های مغزی می گردد که می تواند منجر به معلولیت و حتی مرگ شود. هندسه حلقه ویلیس با استفاده از تصاویر پزشکی (mri) و نرم افزارهای میمیکس و سالیدورکز ایجاد شده است. حلقه ویلیس دارای واریاسون های مختلفی می باشد که ما در این کار دو نوع واریاسون های رایج تر آن را نیز درنظر گرفته ایم. برای حل عددی از نرم افزار تجاری ادینا و تحلیل fsi استفاده شده است. خون به عنوان سیال غیرنیوتنی درنظر گرفته شده و مدل کارئو برای آن انتخاب شده است. دیواره شریان های هم بصورت جدا و با مدل های مختلفی مانند مونی-ریویلین، اگدن و الاستیک مدل شده و با مدل سیال کوپل شده است. در ورودی ها از سرعت ضربانی استفاده شده است. در نهایت با استفاده از توزیع فشار، سرعت و تنش برشی دیواره و نیز شکل موج سرعت و فشار در خروجی های مدل به بررسی علل و محل های مستعد بیماری های مغزی-عروقی و نیز تاثیر واریاسون های مختلف بر این بیماری ها و همودینامیک جریان پرداخته شده است. اطلاعات بدست آمده از این کار می توان ابزاری باشد برای تصمیمات کلینیکی و با شبیه سازی جراحی مغزی-عروقی به پزشکان در تصمیماتشان کمک کند.

یکی از مهم ترین مسائل در محدوده ی بحث کمپرسور های محوری، همواره رو ش های پیش بینی کننده ی تحلیل عملکرد این ماشین های پیچیده بوده است به طوری که اکثر تحقیقات و مقالات جانبی در رابطه با این ماشین ها نیز به نوعی در خدمت به پیشرفت این روش ها بوده است . با پیشرفت علوم و کاربردی بودن این ماشین های پیچیده در تمامی زندگی انسان ، روش های تحلیل نیز رو به تکامل بوده اند. در تمامی روش های بررسی تحلیل عملکرد کمپرسور های محوری همواره حضور روابط بسیار پیچیده برای پیش بینی افت های دوبعدی و سه بعدی سختی های زیادی را در این روش ها بر دوش محققان این رشته گذاشته است. از این رو پژوهش حاضر روش جدیدی را با ترکیب cfd و روش کلاسیک انحنای خطوط جریان معرفی می کند. هدف از ارائه ی این روش ترکیبی cfd با روش انحنای خطوط جریان کلاسیک جلوگیری از استفاده از روابط پیچیده ی افت در محاسبات است . در این پژوهش که محصول اصلی آن ارائه ی این روش به همراه الگوریتم محاسباتی آن با هدف قابلیت اجرا بر روی کلیه ی کمپرسور های محوری چند مرحله ای است ، این روش را بر روی یک کمپرسورمحوری یک طبقه تست کرده و نتایج آن با جزئیات کامل بر روی 11 خط جریان بررسی شده است. در ادامه این نتایج با نتایج حاصل از کد کامپیوتری نوشته شده برای روش انحنای خطوط جریان کلاسیک و نتایج تست ناسا برای کمپرسور مذکور مقایسه شده و تک تک خطاها در هر خط جریان محاسبه شده اند. در پایان این مقایسه نتیجه گرفته می شود که این روش گامی موفقیت آمیز در پیش‏بینی و تحلیل جریان در کمپرسور‏های محوری برداشته است.

پژوهش حاضر به توسعه الگوریتمی می پردازد که در حوزه مسائل طراحی معکوس شکل در معادلات جریان کاربرد دارد. در مسائل طراحی معکوس شکل در معادلات جریان، توزیع سرعت مماسی یا توزیع فشار روی دیواره به عنوان تابع هدف انتخاب می شود. سپس تلاش می شود تا هندسه ای که تابع هدف را ارضاء می کند طراحی شود. الگوریتم های طراحی معکوس شکل با دو رویکرد کلی مستقیم و غیرمستقیم دنبال می شوند. الگوریتم توسعه یافته این پژوهش در دسته الگوریتم های طراحی شکل غیر مستقیم قرار می گیرد که در آن اصلاح شکل طی چندین تکرار متوالی حل مساله آنالیز صورت می پذیرد. برای حل عددی میدان جریان در هر تکرار اصلاح شکل، حلگری به روش حجم محدود مبتنی بر المان توسعه داده شده است. بررسی ها نشان می دهد الگوریتم توسعه یافته دارای دقت مطلوبی در حل بسیاری از مسائل طراحی شکل معکوس در جریان های داخلی و خارجی است و به سادگی قابل تعمیم به جریان لزج نیز است.

مسائل معکوس طراحی شکل که با هدف محاسبه متغیر های وابسته به میدان و شکل مرز مجهول از روی یک سری شرایط مرزی و اطلاعات اضافی معلوم انجام می شوند، از سال ها پیش مورد مطالعه محققان بوده اند. برای حل این گونه مسائل روش های مختلفی از جمله روش های بهینه سازی پیشنهاد شده است. آن چه مشخص است عملکرد این روش ها بسیار وابسته به فضای مسئله است. وجود بهینه های محلی متعدد و نزدیکی آن ها به نقطه بهینه کلی می تواند عملکرد روش حل را تحت تاثیر قرار دهد. در میان روش های بهینه سازی روش های تصادفی و جمعیت محور به دلیل عدم نیاز به محاسبات گرادیانی تابع هدف با استقبال گسترده ای در حوزه مکانیک سیالات و انتقال حرارت روبرو بوده اند. در حال حاضر رقابت اصلی در میان روش های تصادفی کاهش هزینه های محاسباتی است. الگوریتم ژنتیک یکی از پرکاربرد ترین الگوریتم های تصادفی محسوب می شود. این الگوریتم به صورت موازی همه فضای جستجو را مورد کاوش قرار می دهد و عمدتا گرفتار بهینه های محلی نمی شود. الگوریتم همگرایی کندی دارد و در حل مسائل با حلگرهای cfd که محاسبه تابع هدف مستلزم هزینه ی محاسباتی قابل توجه است، با مشکل روبرو می شود. در این تحقیق که با هدف توسعه الگوریتم ژنتیک در مسائل طراحی شکل صورت گرفته است، از یک الگوریتم تصادفی دیگر با نام الگوریتم توده ذرات برای ترکیب با الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. الگوریتم توده ذرات از رفتار هوش جمعی پرندگان الهام گرفته شده است و علی رغم الگوریتم ژنتیک، قدرت جستجوی محلی بالایی دارد. در تحقیق حاضر چند طرح ترکیبی الگوریتم ژنتیک و الگوریتم توده ذرات هم برای مسائل طراحی شکل با یک تابع هدف و هم مسائل با چند تابع هدف ارائه شده است. با توجه به اینکه فضای این مسائل متشکل از بهینه های محلی متعدد می باشد برخلاف مسئله آنالیز که ممکن است روش های مختلف منجر به یک پاسخ شوند، در اینجا ممکن است پاسخ های مختلفی توسط روش های متنوع حاصل شود لذا میزان همگرایی به نقطه بهینه کلی از دغدغه های اصلی این گونه مسائل است که در این رساله به طور جدی مورد بررسی قرار گرفته است. در مسائل با چند تابع هدف، علاوه بر همگرایی، پخش پاسخ ها نیز مهم است که در این تحقیق به عنوان یک معیار ارزیابی مورد توجه بوده است. به منظور ارزیابی عملکرد این الگوریتم های ترکیبی، طیفی از مسائل متنوع طراحی شکل جریان تعریف شده است. مسائل مورد بررسی شامل مسائل جریان داخلی و خارجی می باشد و مهمترین آن ها یک دسته مهم مسائل انتقال حرارتی با عنوان طراحی شکل کانال های موجدار می باشد. طراحی شکل کانال های موجدار که در صنعت به ویژه مبدل های حرارتی فشرده از آن ها استفاده می شود، هنوز مورد توجه محققین می باشد. در این رساله این مسئله با طرح یک و همچنین دو تابع هدف کاربردی مورد بررسی قرار می گیرد. تقریبا در همه مسائل، الگوریتم های ترکیبی عملکرد قابل قبولی نسبت به الگوریتم های پایه نشان دادند. در مسائل یک تابع هدفه میزان همگرایی به طور متوسط تا 30 درصد افزایش یافته است. در مسئله طراحی کانال با دو تابع هدف، هم همگرایی و هم پخش پاسخ های بهتری نسبت به الگوریتم های دیگر ثبت شده است. در بخش بهینه سازی شکل کانال های موجدار از مدلسازی هندسی جدیدی استفاده شد که قابل مقایسه با مدلسازی های پژوهش های گذشته می باشد.

امروزه با پیشرفت روزافزون علم و فناوری، استفاده از سیستم ها و تجهیزات با اندازه ی کوچک تر در علوم و صنایع مختلف بیشتر و بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. سیستم های در مقیاس میکرو و نانو. از جمله ی این کاربرد ها می توان به سیستم های lab-on-a-chip اشاره کرد. این سیستم ها در واقع کاری که یک آزمایشگاه انجام می دهد را بر روی یک صفحه با اندازه های چند سانتیمتر مربع انجام می دهند. یکی از مهم ترین کاربرد های این سیستم ها در سطح دنیا، استفاده از آن ها در تشخیص بیماری ایدز است. سیستم های lab-on-a-chip خود از قسمت های مختلفی تشکیل شده اند. از جمله ی این قسمت ها می توان به میکروپمپ ها برای تأمین جریان، میکرومیکسرها برای مخلوط کردن دو یا چند جریان، میکرو رآکتورها برای انجام واکنش ها و ... اشاره کرد. هر کدام از این قسمت های تشکیل دهنده خود نیازمند مطالعه و بررسی های زیادی هستند که تا به حال نیز مطالعات زیادی بر روی این تجهیزات و فناوری های مربوط به آن ها انجام شده است. در زمینه میکرومیکسرها نیز، با توجه به دسته بندی های موجود، کارهای بسیاری انجام گرفته است. با توجه به اطلاعات داده شده در فصل دوم، در اوایل پیدایش این تجهیزات، بیشتر مطالعات، بر روی میکرومیکسرهای غیرفعال صورت گرفته است. با مرور زمان، گرایش محققان به میکرومیکسرهای فعال بیشتر شده است. همچنین در اوایل از میکروپمپ های فشاری برای ایجاد جریان در تجهیزات میکروفلوئیدیک استفاده می شد. بدین صورت که در ورودی و خروجی میکروکانال ها گرادیان فشاری ایجاد می شد که موجب ایجاد جریان در کانال می شد. اما با توجه به دشواری های ساخت و اتصال میکروپمپ های فشاری و همچنین تلفات بالای این نوع جریان ها، امروزه اکثراً در تجهیزات میکروفلوئیدیک، از پدیده ی الکتروکینتیک و میدان الکتریکی برای ایجاد و اختلاط جریان ها استفاده می شود. در کار پیش رو، جریان الکترواسمتیک حاصل از پدیده ی الکتروکینتیک، در درون میکروکانال به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین میکرومیکسر t شکل ساده و میکرومیکسر t شکل با ورودی دوگانه با پتانسیل زتای ناهمگون در دیواره ها، به صورت عددی به وسیله ی نرم افزار comsol multiphysics مورد بررسی قرار گرفته است. در تمام کارهای عددی قبلی که در زمینه ی میکرومیکسرهای الکتروکینتیک انجام گرفته، از ترم نیروی حجمی الکتریکی در حل معادله ی ناویر استوکس استفاده شده است. در کار پیش رو، با توجه به نتایج حل تحلیلی ارائه شده، ترم نیروی حجمی الکتریکی حذف شده و تاثیر آن با استفاده از شرط مرزی سرعت الکتروسمتیک در دیواره ها اعمال شده است. نتایج حاصل از حل عددی توسط نتایج تحلیلی صحت سنجی شده است. نتایج حاصل نشان می دهند با افزایش میزان ناهمگونی پتانسیل زتا در دیواره ها، میزان اختلاط نیز بهبود یافته است. همچنین طرح t شکل با ورودی دوگانه، نسبت به بهترین مورد طرح t شکل ساده، راندمان اختلاط را در اعداد رینولدز و اشمیت بالا، به میزان 20-30 درصد بهبود می بخشد.

در این پایان نامه روش های مختلف جداسازی میکروذرات از یکدیگر شرح داده شده است و یک میکروکانال منحنی با سطح مقطع مستطیلی برای جداسازی ذرات با استفاده از جریان جانبی بصورت عددی بررسی شده است. بخش اصلی میکرو جداساز ارائه شده یک میکروکانال منحنی با سطح مقطع مستطیل شکل است. در ورودی، ذرات به طور یکنواخت پراکنده شده اند. زمانی که ذرات از کانال عبور می کنند، در معرض یک نیروی گریز از مرکز زیاد به دلیل سرعت مماسی بالا و شعاع کوچک انحنا قرار می گیرند. شتاب گریز از مرکز بالا انتظار می رود که به تمرکز ذرات در نزدیکی دیوارهای بیرونی کانال کمک کند. از سوی دیگر، عامل دیگری وجود دارد که توزیع ذرات را تحت تاثیر قرار می دهد. در یک لوله خمیده، الگوهای جریان ثانویه که گردابه دین نامیده می شود، در طول سطح مقطع تشکیل می شود. گردابه دین، پراکندگی مجدد ذرات را در دوغاب افزایش می دهد. در کار حاضر، جریان دوفاز مایع-جامد در یک میکروکانال سه بعدی بررسی می شود.

پمپ گریز از مرکز، پمپ روتودینامیک است که از پروانه چرخان برای افزایش فشار سیال استفاده می کند. سیال در امتداد و یا نزدیک به محور چرخش وارد پروانه پمپ می شود و توسط پروانه شتاب گرفته، و با جریان شعاعی توسط دیفیوزر یا محفظه حلزونی (پوسته)، خارج می شود. برای تحلیل کامل جریان در پمپ گریز از مرکز باید معادلات لزج ناویر استوکس را حل کرد، ولی این امر بسیار پیچیده است و مستلزم صرف وقت زیادی می باشد. با پیشرفت های زیادی که در زمینه سخت افزار رایانه صورت گرفته و همچنین با بهبود مدل های توربولانسی استفاده از کد های سه بعدی برای تحلیل جریان مورد توجه بسیار قرار گرفته است. با استفاده از cfd می توان شرایط آزمایشگاهی در مسایل مختلف را شبیه سازی کرد. به خصوص در مسایل مربوط به توربوماشین ها که تست های آزمایشگاهی و بررسی پارامترهای مختلف بسیار پر هزینه است. در این پژوهش، یک شبیه سازی cfd-3d از پروانه و حلزونی پمپ گریز از مرکز با استفاده از کدهای تجاری حجم محدود cfx، به منظور اصلاح شکل هندسی حلزونی پمپ انجام شده است. در واقع، هدف اصلی از این پژوهش بهینه سازی عملکرد پمپ از طریق اصلاح شکل هندسی پوسته حلزونی آن می باشد. پمپ دارای سرعت مخصوص 32 (واحد متریک) و قطر پروانه 400 میلی متر است. ویسکوزیته با استفاده از مدل توربولانسی sst (مدل انتقال تنش برشی) محاسبه گردید. تجزیه و تحلیل حساسیت با توجه به کیفیت شبکه نیز انجام شد. بعنوان نتایج این پژوهش، در ابتدا تجزیه و تحلیل توزیع فشار و سرعت در داخل پمپ برای نرخ های مختلف جریان گزارش شده است و صحت سنجی نتایج حاصل از حل عددی با مقادیر تجربی انجام شد، سپس الگوریتمی برای اصلاح شکل حلزونی پمپ گریز از مرکز بر پایه متعادل سازی توزیع فشار پیرامون پروانه پمپ و کاهش نیروی شعاعی وارده به پروانه ارایه شده است. نیروی شعاعی که در شرایط کاری خارج از نقطه طراحی پمپ روی پروانه وارد می شود، مطلوب نمی باشد و می تواند موجب آسیب رسیدن به اجرای پمپ شود و راندمان پمپ را کاهش دهد.

در پژوهش حاضراز یک کانال موجدار سینوسی که بسیار ساده و کارآمد است، به عنوان ابزار بهبود انتقال حرارت استفاده شده است. معادلات توسط روش حجم کنترل مبتنی بر المان گسسته سازی شدند. جریان غیر قابل تراکم و آرام هم به صورت توسعه یافته و هم در حال توسعه در دو رژیم جریان پایا و ناپایا در بازه ای از اعداد رینولدز (1000-4/5) مورد بررسی قرار گرفت. در رژیم جریان پایا بهبود قابل توجهی در نرخ انتقال حرارت درون کانالهای موج دار مشاهده نشد. اما به محض ناپایا شدن جریان، یک سری نوسانات خودنگهدار درون جریان به وجود می آید که موجب ناپایداری جریان و در نتیجه افزایش شدید نرخ انتقال حرارت می شود. به طوری که در عدد رینولدز 1000، نرخ انتقال حرارت تقریبا 5/3 برابر کانال ساده می شود.

در عصر حاضر، تلاش های زیادی برای تولید مبدل های حرارتی که بیش ترین بازده حرارتی را داشته و توانایی برآمدن از قوانین سخت گیرانه محیط زیست را داشته باشند، انجام پذیرفته است. تولید مبدل های طراحی شده باید از نظر مقدار مواد مصرفی، میزان صرفه جویی در انرژی، اندازه و سادگی در تولید امکان پذیر باشد.یکی از روش هایی که به طور متناوب برای افزایش کارایی حرارتی صورت می گیرد به وسیله تغییرات هندسی است که منجر به گذار سریع تر جریان آرام به آشفته می شود که از جمله می توان به استفاده از کانال های موج دار اشاره کرد. انتقال حرارت در این روش ها همراه با افزایش افت فشار است که منجر به افزایش ضریب اصطکاک می شود. روش های عددی و دینامیک سیالات محاسباتی می توانند ابزار مناسبی برای نمایان سازی الگو های جریان و تحلیل آن در کانال های موج دار باشند. یکی از روش ها، حجم کنترل مبتنی بر المان برای گسسته-سازی معادلات است. در این پایان نامه اصطکاک در جریان تراکم ناپذیر آشفته در کانال موج دار سینوسی در نسبت های دامنه به طول موج مختلف و اعداد رینولدز متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است.

امروزه، نیاز برای میکروپمپ ها به عنوان یکی از اجزای اصلی در سیستم های میکروفلویدیک در حال رشد است. میکروفلویدیک به علم مربوط به دستگاه ها و روش های کنترل و تنظیم جریان های سیال با طول مشخصه کوچکتر از یک میلیمتر اطلاق می شود. به منظور تحقق کاربرد های مختلف میکروفلویدیک، طرح ها و پیکر بندی های جدیدی از میکروپمپ ها نیاز است تا مورد مطالعه قرار بگیرد.