در این پژوهش عملکرد پیل های سوختی غشاء پلیمری (pemfc) ، با کانال های مختلف جریان بررسی شده است. میدان های درهم پیچیده با تبدیل مکانیزم انتقال اکسیژن از یک مکانیزم نفوذی به یک مکانیزم جابه جایی اجباری ، سبب افزایش چشمگیر عملکرد پیل سوختی هیدروژنی می شوند. در پیل های سوختی هیدروژنی ، تولید آب بر اثر واکنش شیمیایی و انتقال آب بر اثر درگ الکتروسموسی از غشاء ، سبب ایجاد جریان دوفازی در لایه نفوذ گازی پیل سوختی می گردد. آّب مایع می تواند با مسدود کردن خلل و فرج ماده متخلخل لایه نفوذ گازی ، مانع نفوذ موثر اکسیژن به لایه کاتالیستی و در نتیجه افت عملکردی و فلادینگ الکترود شود . برای مدل سازی جریان دوفازی در لایه نفوذ گازی کاتدی پیل سوختی هیدروژنی از روش مخلوط چند جزئی چند فازی استفاده شده است. این مدل با کاهش تعداد معادلات سبب کاهش مشکلات حل عددی می گردد. همچنین در شبیه سازی عددی ، بررسی پارامتری گسترده ای انجام شده است. اثر پارامترهای عملکردی مختلف از قبیل اختلاف فشار ، دمای کاری و... ، پارامترهای هندسی ، از قبیل ضخامت لایه نفوذ گازی و...، و پارامترهای مادی ، چون ضریب تخلخل ، خاصیت تر کنندگی مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه بین نتایج بدست آمده با نتایج کارهای موجود ، دقت مناسب مدل سازی انجام شده را نشان می دهد. نتایج بر اساس منحنی های پلاریزاسیون ، چگالی توان ، چگالی جریان محلی و مقدار آب مایع موجود در لایه کاتالیستی ارائه شده اند. همچنین جابه جایی فصل مشترک ناحیه تک فاز و دوفاز برای درک بهتر اثر پارامترهای مختلف ارائه شده است. نتایج نشان دهنده این است که مدیریت آب در پیل سوختی مهمترین نقش را در عملکرد پیل سوختی دارا می باشد.

در جهان امروز برای غلبه بر معضل کاهش منابع سوخت های فسیلی و نیز مشکلات زیست محیطی ناشی از آن فناوری های جایگزینی معرفی شده اند. در میان این فناوری ها، پیل های سوختی به عنوان گزینه ای جدی برای تامین انرژی در مقیاسی وسیع و طولانی مدت مطرح می باشد. از این میان، پیل سوختی پلیمری که تنها با ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تولید آب، انرژی آزادشده در طی فرایند را به برق تبدیل می کند، به عنوان انرژی پاک بسیار مورد توجه می باشد. مهم ترین موانع در راستای تجاری سازی این فناوری امّا، مشکلات مربوط به کنترل میزان آب تولیدی و مدیریت آن در پیل سوختی، مدیریت گرما و غیره می باشد. برای حل مشکل مدیریت آب در پیل سوختی، روش های مختلفی پیشنهاد شده است که بخش مهمی از آن شامل بهبود طراحی میدان های جریان می باشد؛ که البته در بیشتر موارد با افت فشار زیاد در کانال همراه می باشد. برای کاستن از مشکل افت فشار زیاد نیز تحقیقات محدودی انجام گرفته است. یکی از راه حل های جدید برای کاستن از مشکل افت فشار زیاد در کانال و نیز بهبود انتقال واکنش دهنده ها، شیب دار نمودن کانال می باشد که سبب ایجاد جابجایی اجباری در محیط متخلخل نیز می گردد. در این تحقیق با نگاشتن کد cfd به زبان فرترن ابتدا به شبیه سازی پیل سوختی پلیمری در راستای جریان و با کانال مستقیم پرداخته و پس از ارزیابی شرایط مختلف کاری بر عملکرد آن، در مرحله ی بعد بتفضیل اثر شیب دار کردن کانال بر الگوی جریان و فشار و نیز نحوه ی پخش آب، واکنش دهنده ها و چگالی جریان در راستای کانال مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاصل از این شبیه سازی که در قالب نمودارهای سرعت، افت فشار و توزیع گونه های شیمیایی در راستای کانال و نیز نمودارهای ولتاژ و توان بر حسب چگالی جریان ارائه شده اند، بیانگر بهبود قابل توجه در عملکرد پیل سوختی در مقایسه با هزینه ی ناچیز ناشی از افزایش افت فشار در آن می باشد.

برای حل معادلات، یک کد عددی دو و سه بعدی به زبان فرترن نوشته شده است. برای گسسته سازی معادلات حاکم از روش حجم محدود استفاده شده است. از آرایش شبکه هم جا در مختصات منحنی الخط برای حل معادلات استفاده شده و معادلات فشار و سرعت نیز با استفاده از الگوریتم سیمپل و رای و چو کوپل شده اند. در شبیه سازی صورت گرفته، اثر تغییر ویژگی های سیال با دما و رسانندگی بستر کانال نیز مدنظر قرار گرفته است. با مقاسیه نتایج بدست آمده از لحاظ هیدرولیکی و گرمایی با نتایج تجربی و عددی موجود صحت آن تأیید شد. نتایج نشان داد که در محدوده رینولدز بین 100 تا 1200، ایجاد پله در میکروکانال، عملکرد حرارتی میکروکانال را بهبود بخشیده و میزان این افزایش با شار حرارتی مرتبط می باشد که این موضوع اهمیت حل همزمان معادلات انرژی و ممنتوم را در میکروکانال ها نشان داد. علاوه بر این، اثر پله با زوایای صفر، 30، 45 و 60 درجه روی افت فشار و انتقال حرارت در میکروکانال بصورت آزمایشگاهی مطالعه گردید. افت فشار ایجاد شده در کانال نیز برای هر یک از الگوها با استفاده از فشارسنج دیفرانسیلی در ورودی و خروجی اندازه گیری گردید. با استفاده از سه ترموکوپل در ورودی، خروجی و بستر کانال، عدد ناسلت انداره گیری شد. نتایج نشان داد که بکارگیری پله در میکروکانال مستقیم، انتقال حرارت را افزایش خواهد داد و پله های با زاویه 45 درجه در مقایسه با سایر زوایا، بهترین عملکرد حرارتی را از خود نشان دادند.

تاثیر پارامترهای مختلف بر میکرومبدل شورون بررسی شده است

تصلب شرایین یکی از انواع بیماری های عروقی است که به عنوان یکی از عوامل اولیه در شکل گیری بسیاری از بیماری ها و سکته های قلبی شناخته می شود. در این بیماری با گذشت سال ها و به سبب شکل گیری پلاکت ها در درون شریان ها، امکان بسته شدن کامل شریان فراهم می شود. مطالعه ی دینامیک جریان خون در مجاری دارای گرفتگی، امکان تشخیص بیماری های عروقی را فراهم می سازد و حتی در مواردی که این قبیل بیماری ها در مراحل اولیه و قبل از بحرانی شدن گرفتگی شناخته شوند، دیگر نیازی به جراحی، جهت درمان بیماری نمی باشد. لذا در این پژوهش روش عددی به عنوان ابزاری قدرتمند در بررسی پارامترهای تأثیرگذار و نیز اثرات نامطلوب گرفتگی مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا به منظور برآوردن خواسته های مطرح شده، یک مدل نامتقارن مجرای دارای گرفتگی (به عنوان یک مدل گرفتگی واقعی) با ویژگی های هندسی و شرایط جریانی(آرام و دایمی) مشابه با مطالعه ی آزمایشگاهی موجود، به کمک شبیه سازی عددی و در قالب توسعه ی یک کد کامپیوتری بررسی شده، نتایج به دست آمده از شبیه سازی عددی با نتایج تجربی افت فشار صحه گذاری می شوند. البته شایان توجه است که اثرات گرفتگی در یک مدل متقارن در مقایسه با یک گرفتگی نامتقارن (با میزان گرفتگی یکسان) متفاوت بوده، لذا تحلیل عددی گرفتگی متقارن نیز جهت ارائه ی مقایسه های کمی مورد نظر قرار گرفته است. در توسعه ی کد کامپیوتری جهت شبیه سازی عددی مسئله، معادلات حاکم پس از گسسته شدن در شبکه های غیر جابجا شده، به روش حجم محدود و در مختصات عمومی منحنی الخط حل می شوند. به منظور تولید شبکه ی محاسباتی، روش دیفرانسیلی بیضوی به کار گرفته شده است. در کلیه ی تحلیل ها، خون یک سیال نیوتونی فرض می شود. در پایان نیز به منظور دست یابی به نتایج کمی و کیفی، اثرات تغییرات عدد رینولدز بر ویژ گی های جریان مانند تنش برشی دیواره ای، طول ناحیه ی جدایش، جریان چرخشی، سرعت ماکزیمم و فشار در گرفتگی واقعی و همچنین مقایسه ی نتایج با نتایج حل جریان در گرفتگی ساده سازی شده مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهد کاهش سطح مقطع در گلویی موجب افزایش گرادیان سرعت در دیواره ها شده که افزایش شدید تنش برشی را درپی خواهد داشت. همچنین با عبور جریان خون از ناحیه ی گرفتگی، افت ناگهانی فشار در محل گرفتگی مشاهده می شود که با افزایش عدد رینولدز افزایش بیشتری یافته و از عوامل بسیار تاًثیرگذار در پیشرفت بیماری های عروقی به شمار می آید. وجود گرفتگی های واقعی مانند مدل بررسی شده در این پژوهش، باعث بر هم زدن تقارن جریان و در نتیجه تشکیل نواحی چرخشی و گردابه هایی در پایین دست جریان می شود. شایان ذکر است، وقوع این پدیده های فیزیولوژیکی در مدل گرفتگی واقعی باعث پیشرفت انواع بیماری های عروقی ناشی از تصلب شرایین خواهد شد که در گرفتگی های ساده با شکل هندسی متقارن با این شدت دیده نمی شود.

این پایان نامه، شبیه سازی عددی و ترمودینامیکی پیل های سوختی پلیمری انتها بسته کاتدی را ارائه می نماید. این نوع پیل های سوختی که به سبب دمای پایین، جامد بودن غشاء و مشکلات زیست محیطی کم تر، به طور قابل ملاحظه ای در مقایسه با سایر انواع پیل های سوختی دارای جذابیت می باشند، امروزه از نظر کاربرد در موارد خاصی مانند محیط های بسته و به ویژه استفاده در کاربردهای رادارگریز، مورد توجه قرار گرفته اند. پیل های سوختی پلیمری که در حالت انتها بسته کار می کنند، به دلیل حدف سیستم های چرخش سوخت و رطوبت زن های خارجی، از نظر وزن، حجم و هزینه نسبت پیل های سوختی معمولی شرایط بهتری دارند. البته کارکردن در حالت انتها بسته مشکلاتی را در زمینه مدیریت آب و در نتیجه عملکرد الکتریکی سیستم به وجود می آورد که مدیریت مناسب بر روی زمان تخلیه در این نوع پیل های سوختی مشکلات نام برده را برطرف می سازد. شایان ذکر است که استفاده از پیل های سوختی انتها بسته شرایطی را فراهم می نماید تا سوخت و اکسیدکننده به میزان مصرف وارد پیل سوختی شوند. در بیشتر موارد قسمت آند در پژوهش ها به عنوان سمت بسته مورد مطالعه قرار می گیرد اما در مطالعه حاضر قسمت کاتد پیل سوختی به عنوان سمت بسته در نظر گرفته شده است. در واقع، تعیین زمان مناسب برای تخلیه در این نوع از پیل های سوختی باعث بهبود عملکرد سیستم می شود که در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته است. انباشتگی آب در پیل های سوختی انتها بسته کاتد که بیشتر از سمت آند است، تأثیر منفی بر روی عملکرد و ولتاژ سل دارد. بنابراین، مدیریت گاز و آب در این دسته از پیل های سوختی مهم بوده و زمان شروع تخلیه و مدت زمان آن روی عملکرد سل تأثیرگذار خواهد بود؛ لذا، میزان تأثیر انسداد لایه ی پخش گاز و کانال با آب انباشته شده بر روی عملکرد سل و افت ولتاژ آن و همچنین زمان تخلیه ی آب انباشته شده در این پژوهش مورد بررسی قرارگرفته، شرایط عملکردی پیل سوختی در قالب منحنی هایی ارائه شده است. در این شبیه سازی، کانال مستقیم کاتد و لایه پخش گاز به عنوان فضای محاسباتی در نظر گرفته شده و از مدل مخلوط چندفازی برای مدل کردن کسر جرمی اشباع استفاده شده است. به منظور دست یابی به این مهم، از روش عددی حجم محدود و تحلیل ترمودینامیکی برای شبیه سازی استفاده شده است. براساس تحلیل ترمودینامیکی، منحنی افت ولتاژ برای چگالی جریآن ها، دماها و سطوح فعال مختلف مورد بررسی قرارگرفته است. در شبیه سازی عددی نیز منحنی های افت ولتاژ برجسب زمان مورد مطالعه قرار گرفته و کیفیت مناسبی را نشان داده است. با تحلیل این نمودارها، زمان مناسب برای تخلیه مورد بررسی قرار گرفت که مهم ترین پارامتر در پیل های سوختی انتها بسته است.

در این پژوهش عملکرد پیل سوختی با کانال جریان در هم پیچیده مورد مطالعه قرارگرفته است. به منظور شبیه سازی فرایندهای پیل سوختی از یک مدل عددی دو بعدی، هم دما، گذرا، دو فازی و چند جزئی استفاده شده است. مدل ایجاد شده شامل لایه ی نفوذ گازی کاتدی می باشد و لایه ی کاتالیستی کاتد به صورت یک لایه ی بی نهایت باریک در نظر گرفته شده است. مقایسه ی نتایج به دست آمده با نتایج کارهای موجود نشان دهنده ی این امر می باشد که شبیه سازی با دقت خوبی انجام گرفته است. در این شبیه سازی تأثیر برخی پارامترهای هندسی و عملکردی موردمطالعه قرار گرفته است. از نتایج به دست آمده مشخص شده است که افزایش اختلاف فشار بین کانال های ورودی و خروجی می تواند موجب افزایش عملکرد پیل سوختی گردد. همچنین نتایج نشان دهنده ی اهمیت در نظر گرفتن فشردگی غیریکنواخت لایه ی نفوذ گازی در اثر نیروی به هم بستن اجزای پیل سوختی در شبیه سازی می باشد. در این مطالعه از جریان ورودی هوا به صورت تپشی استفاده گردید که نتایج به دست آمده در مقایسه با نتایج حاصل از جریان ورودی پیوسته نشان دهنده ی تأثیرگذاری جریان تپشی در دفع آب و کاهش غرقابگی لایه ی نفوذ گازی کاتد و درنتیجه بهبود عملکرد پیل سوختی می باشد. عملکرد پیل سوختی به تغییرات فرکانس در محدوده در نظر گرفته شده در این مطالعه وابستگی چندانی نشان نداده است اما افزایش دامنه ی تپش ورودی تأثیر قابل توجهی بر روی افزایش عملکرد دارا می باشد. همچنین بررسی ها نشان داده است که استفاده از جریان تپشی در فشارهای متوسط پایین تر نتایج بهتری را به همراه دارد.