تحقیق حاضر به بررسی جریان دو بعدی بین پره های ثابت توربین، با استفاده از یک تکنیک منطقه ای می پردازد. تکنیک استفاده شده، روش تداخلی غیرلزج-لزج می باشد. در این روش، میدان جریان به دو ناحیه غیرلزج و لزج شامل رژیم های آرام و مغشوش تقسیم می شود. ناحیه غیر لزج همان میدان اصلی جریان در بین پره های توربین در نظر گرفته می شود و ناحیه لزج لایه مرزی نزدیک جداره پره ها می-باشد که با توجه به کاهش فشار در توربین ها، ضخامت این ناحیه کم می باشد. با این تکنیک می توان برای ناحیه اصلی از معادلات اویلر و برای ناحیه لزج از فرم خاصی از معادلات نویر استوکس (آرام و مغشوش)، استفاده کرد و از حل کامل معادلات ناویر استوکس برای کل میدان جریان که باعث صرف هزینه و زمان بیشتر محاسبات می شود، اجتناب ورزید. در این تحقیق از روش تحلیلی سویت برای محاسبه پارامترهای لایه مرزی آرام و از روش تحلیلی گرین (دو معادله دیفرانسیلی و یک معادله جبری) برای محاسبه پارامترهای لایه مرزی مغشوش از جمله، ضخامت جابجایی و ضخامت مومنتوم استفاده می شود. پس از محاسبه ضخامت جابجایی لایه مرزی در هر رژیم که به معنای ضخامت جرم از دست رفته می باشد، این مقدار در روش تداخلی غیرلزج-لزج به هندسه اولیه پره ها اضافه شده که عملاً باعث تنگ تر شدن مسیر جریان به میزان محدودی می شود. در مرحله بعد روش عددی حجم محدود دنتون که براساس حل معادلات اویلر می باشد، کل جریان را حل می کند. با توجه با داشتن توزیع خواص جریان روی سطوح پره ها (از حل عددی غیر لزج پره ها) می توان مجدداً ضخامت جابجایی لایه مرزی را محاسبه و با مقدار قبلی مقایسه کرد. با تکرار این عملیات و نزدیک شدن حل ها با یکدیگر، همگرائی لازم محقق می شود و نتیجتاً تاثیر لزجت در حل غیرلزج به گونه ای پدیدار می شود. نتایج نشان می دهد که با استفاده از تکنیک حل غیرلزج-لزج می توان تاثیر لایه مرزی را لحاظ نمود و چون مقدار ضخامت این ناحیه لزج محدود می باشد، نیازی به حل کامل معادلات نویر استوکس در کل میدان جریان نمی باشد. لذا نتایج حل عددی معادلات اویلر می تواند با این روش بهبود یابد و حجم محاسبات هم با رعایت دقت لازمه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

در طبقات کم فشار توربین های بخار مولد برق، جریان بخار آب در اثر عبور از بین پره ها تحت تأثیر پدیده جوانه زایی قرار می¬گیرد. از پیامد های این پدیده افزایش ناگهانی فشار یا اصطلاحاً شوک میعان است. انتقال حرارت داخلی بازگشت ناپذیر موجب افت بازده توربین می گردد. از طرف دیگر قطرات آب تشکیل شده با شدت به دیواره پره های روتور برخورد می کنند. این مساله آسیب های جدی بر جای می گذارد. در این تحقیق این پدیده پیچیده بصورت یک جریان مافوق صوت غیرتعادلیِ بخار آب به همراه جوانه¬زایی و دوفازی شدن در یک کانال همگرا – واگرای یک بعدی به روش تحلیلی یا روش دقیق مدل سازی شده است. در این مدل یکی از پارامتر های مهم در حل دستگاه معادلات اصلیِ دینامیک گاز جریان دوفازی مذکور، مشخص کردن عدد ماخ است. مقادیر عدد ماخ بستگی به نحوه محاسبه سرعت صوت در جریان دوفازی دارد. در اکثر مقالات سرعت پخش صوت در فاز بخار بدون تأثیرگذاری فاز مایع محاسبه می شود. اما در این تحقیق سرعت پخش صوت با فرض تأثیرگذاری فاز مایع که باعث کاهش پخش صوت در جریان شده، به روش تقریبی محاسبه می شود. همچنین جریان غیر آدیاتیک با سرد کردن قسمت همگرای نازل همگرا – واگرا برای اولین بار مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که با کاهش 5 % سرعت پخش صوت جواب های تئوری بدست آمده به نتایج آزمایشگاهی نزدیک تر می شوند؛ به عبارت دیگر جواب های مدل توسعه یافته واقعی تر می گردد؛ و از طرف دیگر با سرد کردن قسمت همگرا شوک میعان قوی تر رخ خواهد داد. که در این تحقیق میزان کمی تاثیر سرد کردن بر روی شوک میعان مشخص می شود.

انبساط بخار خشک در طبقات کم فشار توربین های بخار به علت مافوق سرد شدن بخار موجب بروز پدیده جوانه زایی و متعاقباً دوفازی شدن جریان می شود. محاسبه دقیق توزیع فشار، نرخ رطوبت و شعاع قطرات تولیدی در طول نازل نقش موثری در پیش بینی خصوصیات جریان دارد. یکی از معادلات مهم حاکم بر جریان بخار تر معادله جوانه زایی است، که تعیین کننده تعداد قطرات تولیدی می باشد. با توجه به مکانیزم های انتقال جرم و انرژی بین دو فاز روش های مختلفی برای میانگین گیری شعاع قطرات استفاده شده است. در تحقیق حاضر برای اولین بار مدل های مختلف جوانه زایی با روش های مختلف میانگین گیری شعاع قطرات در یک مدل لاگرانژی-اویلری ترکیب گردیده، و نتایج توزیع فشار و شعاع قطرات محاسباتی در چندین حالت با نتایج تجربی مقایسه شده است. بر این اساس، استفاده از روش میانگین ساوتر در ترکیب با اصلاح گیرشیک-چیو بر معادله جوانه زایی هِیل بهترین کارکرد را در پیش بینی خواص جریان بخار تر خواهد داشت. ضمن آنکه دو مدل ترکیبی معادله جوانه زایی کلاسیک با اصلاح گیرشیک-چیو و بدون اصلاح به همراه متوسط گیری ساوتر با اختلاف اندکی در رتبه های بعدی قرار می گیرند و به ویژه دقت محاسبه فشار آن ها نیز قابل قبول می باشد.

در این پژوهش، تزریق جت مایع در جریان متقاطع به صورت عددی با نرم افزار فلوئنت مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. به علت فیزیک پیچیده مساله، مطالعات عددی صورت گرفته در این زمینه که از فرض پیوستگی برای هر دو فاز استفاده می کنند، همواره با محدودیت های جدی همراه بوده است. در این مطالعه رویکرد اویلر-لاگرانژ به عنوان یک رویکرد جایگزین، به منظور مطالعه عددی این پدیده اتخاذ شده است. درک فرضیات اساسی به کار رفته در این رویکرد نیازمند درک صحیح از فیزیک جریان است. لذا ابتدا به طور کامل به فیزیک جریان پرداخته شده است. از آنجا که استفاده از رویکرد اویلر-لاگرانژ به منظور مدل سازی تزریق جت سیال در جریان متقاطع از سابقه چندانی برخوردار نیست، نتایج به دست آمده مورد بررسی های متعددی، از جمله اثرات احتمالی تغییر اندازه شبکه و اثرات گام زمانی بر نتایج نهایی، قرار گرفته است. به علاوه، از آنجایی که برخورد قطرات در این مطالعه لحاظ شده است، اثرات الگوریتم برخورد به کار گرفته شده و وابستگی احتمالی آن به اندازه شبکه و گام زمانی مورد تحقیق قرار گرفته است. در ادامه اندازه متوسط قطرات در مقاطع مختلف و همچنین میزان نفوذ جت در جریان متقاطع به ازای نسبت های مومنتوم مختلف، با نتایج آزمایشگاهی و تجربی متعدد مورد مقایسه قرار گرفته است. همچنین توزیع سرعت و اندازه قطرات به دست آمده از مدل سازی، در مقاطع مختلف با مشاهدات آزمایشگاهی متعدد مقایسه شده است. مقایسه ها نشان می دهد که نتایج به دست آمده به خوبی با داده های تجربی سازگار است و در صورتی که از مدل های مناسب استفاده شود، رویکرد اویلر-لاگرانژ به عنوان یک رویکرد کارآمد، توانایی بالایی در مدل سازی پدیده تزریق جت مایع در جریان متقاطع را خواهد داشت. در ادامه، به اثرات مهم جریان داخلی نازل اریفیس بر میزان نفوذ جت سیال و اندازه نهایی قطرات اشاره شده است. نتایج نشان می دهد که عدم توجه کافی به رژیم جریان داخل نازل اریفیس، یکی از عوامل مهم در اختلاف های قابل توجه در نتایج آزمایشگاهی است و لازم است به این موضوع توجه شود.

در این پایان نامه به معرفی روش عددی بالادست خانواده ausm در مقایسه با روش های تفاضل مرکزی پرداخته می شود و ضمن معرفی بیشتر روش بالادست +ausm، به توسعه و استفاده آن در جریان های داخلی و برای رژیم های جریانی مختلف(مادون صوت و مافوق صوت) معطوف می شود. اولین نمونه در نظر گرفته شده در این مطالعه جریان غیر لزج یک بعدی در نازل همگرا- واگرا به همراه شوک عمودی می باشد. مقایسه نتایج حاصل از آن با روش های تفاضل مرکزی کاسپ و اسکالر نشان می دهد روش +ausm ضمن ارائه نتایج نزدیکتر به نتایج تئوری و سرعت همگرایی بیشتر، دارای نوسانات کمتری در نزدیکی شوک می باشد. دومین نمونه جریان غیر لزج دو بعدی بین پره های ثابت توربین بخار می باشد که پس از مقایسه نتایج حاصل با روش های تفاضل مرکزی جیمسون و روش تلفیقی جیمسون و کاسپ با نتایج تجربی، مشاهده می شود این روش ضمن ارائه نتایج منطبق بر نتایج آزمایشگاهی دارای خطای عددی کمتری نیز می باشد.

تلاش حاضر که تحت عنوان پایان نامه کارشناسی ارشد عرضه شده است، به بررسی جریان تراکم پذیر بین پره های توربین بخار می پردازد و از روش های مختلفی که بر پایه استفاده از روش های حجم کنترلی و تفاضل محدود قرار گرفته اند، استفاده شده است. هر کدام از این روش ها دارای مزایای خاص خود هستند که در اینجا از دو روش حل عددی کامپیوتری دنتون و مک کورمک استفاده شده است. در این پایان نامه با تلفیق این دو روش حل عددی، روش هایی پیشنهاد شده است که خواص جریان را بهتر مدل سازی می کند، این روش ها عبارتند از: الف) طرح تلفیقیa ب) طرح تلفیقیb ج) طرح معکوس. از آنجا که روش های حجم کنترلی در کناره های دیواره ‍ و روش های تفاضل محدود در نقاط مرکز دارای جواب های بهتری هستند در هر سه طرح، داده های مرزی از روش حل عددی حجم کنترلی دنتون و داده های مرکزی از روش حل عددی تفاضل محدود مک کورمک استخراج شود. در طرح تلفیقیa تبادل اطلاعات دو روش حل عددی(دنتون و مک کورمک) بعد از هر تکرار انجام می گیرد ولی در طرح تلفیقیb این دو روش حل عددی به صورت مستقل تا تعداد مشخص اجرا شده و سپس تبادل داده ها صورت می پذیرد. تعیین مرز بین روش حل عددی حجم کنترلی(نقاط مرزی) و روش حل عددی تفاضل محدود(نقاط مرکزی) در طرح های aو b به صورت تقریبی و بر اساس تجربه مشخص شده است. از آنجا که دلیل محاسباتی دقیقی جهت تعیین این مرز در دو طرح مذکور وجود ندارد، در طرح معکوس به دنبال آن هستیم تا مرز بهینه را با محاسبات دقیق پیدا کنیم. نمودارهای پارامتر خواص جریان(فشار، ماخ، دبی، فشار سکون) با استفاده از نتایج سه طرح بالا ارائه شده است. همچنین مقایسه نسبت فشار حاصل از این سه طرح و همچنین مقایسه خطاهای عددی با نتایج تجربی نشان می دهد که استفاده از تلفیق حجم کنترل و تفاضل محدود بالاخص با روش معکوس، مدل سازی عددی را بیشتر به واقعیت جریان نزدیک می کند.