در این پایان نامه فرآیند گذر از احتراق به انفجار در موتور های انفجار پالسی مورد تحلیل و بررسی عددی قرار گرفته است. برای مدل سازی این گونه موتور ها، معادلات جریان برای مختصات استوانه ای با تقارن محوری برای یک لوله نوشته شده است. در شبیه سازی معادلات حاکم جریان واکنشی چندگونه ای، متوسط گیری وزنی فاور صورت گرفته و برای مدل سازی آشفتگی از مدل استفاده شده است.جهت شبیه سازی واکنش های شیمیایی مخلوط مورد نظر (هیدروژن- هوا) مکانیزم سینتیک شامل 7 گونه شیمیایی و 7 واکنش در نظر گرفته شده است. نتایج بدست آمده از این شبیه سازی با نتایج تجربی موجود مقایسه و تطابق خوبی را نشان می دهد. در این شبیه سازی اثر پارامتر های مختلف بر روی فاصله و زمان قبل از انفجار از قبیل نسبت هم ارزی، آشفته کردن جریان بررسی گردیده است. آشفته کردن جریان توسط قرار دادن اورفیس هایی در داخل لوله انجام گرفته و اثر تعداد و مو قعیت بهینه آنها بر روی زمان و فاصله قبل از انفجار بررسی شده است.

امروزه به دلیل کاربرد وسیع موتورهای انفجار پالسی، تحقیقات زیادی در زمینه پدیده گذر از احتراق به انفجار صورت می گیرد. یک مسئله مهم در رابطه با گذر از احتراق به انفجار، طول و زمان پیش از انفجار می باشد که کاهش آن از اهمیت زیادی برخوردار است. در این پایان نامه اثر پارامترهای مهم جریان از جمله نسبت هم ارزی، فشار و دمای اولیه مخلوط و نیز انرژی اشتعال بر طول و زمان پیش از انفجار بررسی شده است. همچنین اثر وجود موانع آشفته ساز (اریفیس) در درون لوله را به عنوان روشی برای کاهش طول و زمان پیش از انفجار بررسی نموده ایم. در این پایان نامه از یک شبیه سازی عددی دو بعدی جریان آشفته در مختصات استوانه ای به همراه یک سنیتیک شیمیایی چند مرحله ای مخلوط استیلن - اکسیژن شامل 19 جزء و 25 واکنش شیمیایی که برای پایداری انفجار با نیتروژن رقیق سازی شده است، استفاده کرده ایم. نتایج عددی حاصل از این شبیه سازی تطابق خوبی را با نتایج آزمایشگاهی موجود نشان می دهد.

نظر به اینکه گاز طبیعی در بخش اعظم جهان صنعتی به یک منبع انرژی بسیار مهم تبدیل شده است، بررسی ساختار شعله و اثر آلاینده های آن بر محیط زیست امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. در مقاله ی حاضر، احتراق گاز طبیعی که ترکیبی از هیدروکربن هایی مانند ch4، c2h6، c3h8و نیز گازهای n2، co2، o2و h2است، با استفاده از مدل شعله ی نفوذی جریان مخالف بررسی شده است. با توجه به هندسه ی خاص مسئله، معادلات در دستگاه مختصات متقارن محوری نوشته می شوند. حل معادلات با استفاده از یک کد عددی به نام oppdifانجام شده است و این کد در مجموعه ی نرم افزار chemkinموجود است. در این تحقیق منحنی های دما، غلظت گونه ها و ترکیبات noxبا استفاده از حل عددی بدست آمده و اثر رقیق کننده -های co2و h2oبر توزیع دما و نرخ تولید گونه ها بررسی می شود. با توجه به توانایی بالای مکانیزم gri3.0 در مدل سازی احتراق گاز طبیعی، این مکانیزم به عنوان سنتیک شیمیایی انتخاب شده است. این مکانیزم شامل 325 واکنش برگشت پذیر از 53 گونه است. برای بررسی اعتبار نتایج به مقایسه ی منحنی دمای احتراق هیدروژن- هوای رقیق شده با نیتروژن که مهمترین منحنی احتراق گاز در مدل شعله ی نفوذی جریان مخالف است، پرداختیم. نتایج عددی منحنی های دما در دو نرخ کرنش مختلف، مطابقت خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارند. افزایش رقیق سازها در سوخت باعث کاهش ماکزیمم دمای احتراق می شود که این بدلیل کاهش غلظت واکنش دهنده ها و در نتیجه کاهش شدت واکنش کلی است. رقیق ساز co2نسبت به آب توانایی بیشتری در کاهش دما دارد. این رقیق سازها همچنین ماکزیمم کسر مولی گونه های c2h2و noxرا کاهش می-دهند(c2h2یک پیش ماده ی مهم در تولید دوده و noxاز آلاینده های محیطی است). در این مورد رقیق ساز co2توانایی بیشتری در کاهش c2h2(و بنابراین دوده) و رقیق ساز آب توانایی بیشتری در کاهش noxدارد. ماکزیمم دما با افزایش فشار افزایش می یابد. نکته ی مهم در اینجا این است که اشتعال پذیری در محدوده ی فشار با افزایش درصد رقیق ساز co2افزایش و با افزایش درصد رقیق ساز آب کاهش می یابد. علت این پدیده اثرات شیمیایی رقیق کننده ها و نیز اثر خنک سازی و خاموش کنندگی رقیق ساز آب می باشد. نتایج آنالیز حساسیت نشان می دهد که مکانیزم gri3.0 را می توان به یک مکانیزم مختصرتر تبدیل کرد، بطوری که نتایج حاصله با مکانیزم کاهشی پیشنهادی کار حاضر دارای تطابق خوبی با نتایج مکانیزم gri3.0 می باشد. مکانیزم کاهشی پیشنهادی 50 واکنش و 5 گونه از مکانیزم اصلی کمتر دارد.

مطالعه درباره احتراق سوختهای هیدروکربنی و رفتار آنها و بهینهسازی سیستمهای احتراقی از دیرباز مورد توجه بوده است. اکثر سوختهای فسیلی مورد استفاده در سیستمهای احتراقی به صورت مایع هستند، که قبل از احتراق باید به بخار تبدیل شوند. از اینرو بررسی تبخیر قطرات سوخت و همچنین شکست آنها برای بهبود احتراق و استفاده بهینه از سوخت، مهم و لازم است. در این پایاننامه، تبخیر سوختهای هیدروکربنی و شکست آنها مورد مطالعه قرار میگیرد. برای مدلسازی تبخیر قطرات، از دو مدل غیرتعادلی که بر پایه قانون تبخیر غیرتعادلی لانگمویر- نادسن است، استفاده شده است. بر اساس این دو مدل، چهار مدل تبخیر استخراج شده است. همچنین اثر جاذبه در تبخیر مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج حل عددی چهار مدل در دو حالت، با در نظر گرفتن جاذبه و بدون در نظر گرفتن جاذبه با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج نشان میدهند که در نظر گرفتن اثر جاذبه باعث افزایش دقت حل و بهبود نتایج میشود. بر اساس نتایج به دست آمده، مدلی که بیشترین سازگاری را با نتایج آزمایشگاهی داشته، انتخاب شده و تبخیر سوختهای بنزن، دکان، هپتان و هگزان بررسی شده است. سپس برای مطالعه در باره شکست قطره، یک مدل ساده که قطر قطره بعد از شکست را مستقیماً تعیین میکند، به کار گرفته شده است. نتایج بر اساس تغییر در سرعت اولیه و تغییر در قطر اولیه نشان میدهد که در تبخیر، قطر اولیه قطره و در شکست، سرعت اولیه قطره در نتایج تأثیر زیادی دارد.

در این پایان نامه در نظر داریم تاثیر دمای اولیه، فشار و نسبت هم ارزی را روی تاخیر زمانی سوخت های متان، استیلن، اتیلن و هیدروژن در راکتور کاملا آمیخته بررسی کنیم.برای این منظورعلاوه بر کار عددی از آخرین نسخه نرم افزار چمکین استفاده شده است. نسخه نهایی این نرم افزار قابلیت محاسبه تاخیر زمانی را با تعریف حلگر گذرا دارا می باشد که در نسخه های قبلی این مهم امکان پذیر نبودهاست.نتایج این تحقیق باعث صرفه جویی در زمان شده و به طور چشمگیری هزینه های استفاده از روش های تجربی را کاهش می دهد. از آنجا که عوامل تاثیر گذار بر تاخیر زمانی، روی تولید آلاینده ها و گازهای گلخانه ای موثرند، بخشی از این تحقیق به این مسئله پرداخته است.

امروزه کاربرد نسل جدید موتورها،یعنی موتورهای انفجار پالسی که از نیروی بسیار زیاد انفجار استفاده می کند،وسعت روز افزونی دارد.از این رو تحقیقات بسیاری در سرتاسر جهان بر روی پدیده گذر از احتراق به انفجار که پایه و اساس عملکرد موتور انفجار پالسی می باشد، درحال انجام است.یکی از مهم ترین مسائل در این موتورها، کم کردن طول و زمان پیش از انفجار می باشد که عوامل متعددی روی این پارامتر اثر دارد. در این پایان نامه تاثیر این پارامترها بصورت تجربی آزمایش شده است. برای این منظور از نوع ساده شده موتور انفجار پالسی استفاده کرده ایم که شامل: یک لوله یک سربسته طویل با نسبت طول به قطر بالا ، سامانه تغذیه و سامانه اشتعال می باشد.مسئله مهم دیگر نیز مطالعه همزمان این آزمایش بصورت عددی می باشد،که تکمیل کننده مطالعه تجربی است. یکی از روش های کاهش طول و زمان پیش از انفجار درهم کردن جریان با استفاده از موانعی در داخل لوله می باشد که در این پایان نامه از این روش استفاده شده است. با توجه به سهولت دسترسی برای این آزمایشها از مخلوط گازی استیلن-اکسیژن به همراه رقیق سازی نیتروژن استفاده شده است. هم چنین برای مطالعه بیشتر،بررسی های عددی انجام شده روی سایر مخلوط های گازی با کد تجاری فلوئنت ارائه شده است که در مقایسه با نتایج تجربی ارائه شده در مراجع از دقت قابل قبولی برخوردار است. در انتها نتایج بدست آمده از حل عددی با نتایج تجربی موجود مقایسه شده که تطابق قابل قبولی بدست آمده است.

پس از طراحی موتور، نظارت بر نحوه ی عملکرد آن از اهمیت زیادی برخوردار است. کنترل بر روی موتور، توسط واحد کنترل الکترونیکی (پردازشگر موتور) انجام میگیرد؛ با توجه به اهمیت این قطعه، در پروژه حاضر با استفاده از یک برد شبیه سازی شده ی سیستم سوخت رسانی انژکتوری، بر روی یک مدل پر کاربرد از پردازشگر موتور (ساژم s-2000)، بررسیهای آزمایشگاهی در جهت نحوه ی تأثیر عوامل برنامه ریزی شده بر مقدار سوخت مصرفی در پردازشگر موتور، انجام گرفت. موارد بررسی شده در کار تجربی حاضر از قبیل: دور موتور، مقدار گشودگی دریچه گاز، عوامل محیطی نظیر: دمای هوای ورودی و دمای مایع خنک کننده میباشند. پردازشگر موتو با توجه به این عوامل و مقدار فشار هوای ورودی، فرمان مقدار سوخت تزریقی را صادر میکند. با تغییر در این عوامل و بررسی تأثیر آنها در مدت زمان پاشش سوخت از انژکتور، به ثبت نتایج تجربی پرداخته شد و بهینه ترین شرایط محیطی نیز، در میزان مصرف سوخت مورد بررسی قرار گرفت. بررسی تمامی شرایط ممکن به صورت تجربی، بسیار زمان بر و یا حتی غیر ممکن میباشد؛ لذا، از نرم افزارهای مربوط به شبکه ی عصبی و داده کاوی استفاده شده است. جهت بررسی دقت نتایج عددی، تعدادی از داده های تجربی جهت آزمایش کردن نتایج شبکه، نگه داشته شد و نتایج پیشبینی شده ی عددی، با تقریب خوبی با نتایج حاصل از کارهای تجربی، تطابق داشتند. با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و انجام روشهای عددی به عنوان تکمیل کننده ی نتایج تجربی، در تمامی شرایط ممکن، میتوان میزان مصرف سوخت خودرو را پیشبینی نمود و به الگوی برنامه ریزی شده ی مصرف سوخت در پردازشگر موتور، دست یافت. این امر میتواند مقدمه ی سریع و پر کاربردی در جهت ساخت اولیه ی این نوع از پردازشگرهای موتور نیز محسوب گردد.

در این پایان نامه در نظر داریم تاثیر دمای اولیه، فشار و نسبت هم ارزی را روی تاخیر زمانی سوخت های متان، استیلن، اتیلن و هیدروژن در راکتور کاملا آمیخته بررسی کنیم. برای این منظور علاوه بر کار عددی از آخرین نسخه نرم افزار چمکین استفاده شده است. نسخه نهایی این نرم افزار قابلیت محاسبه تاخیر زمانی را با تعریف حلگر گذرا دارا می باشد که در نسخه های قبلی این مهم امکان پذیر نبوده، نتایج این تحقیق باعث صرفه جویی در زمان می شود و به طور چشمگیری هزینه های استفاده از روش های تجربی را کاهش می دهد. از آنجا که عوامل تاثیر گذار بر تاخیر زمانی، روی تولید آلاینده ها و گازهای گلخانه ای موثرند، بخشی از این تحقیق به این مسئله پرداخته است.

در پایان¬نامه حاضر، ابتدا معادلات حاکم بر جریان داخل موتور موشک سوخت مایع بیان شده و سپس یک میکروموتور موشک با سوخت مایع با مشخصات اتانول به عنوان سوخت، اکسیژن مایع به عنوان اکسیدکننده، فشار داخل محفظه احتراق 20bar، فشار در خروجی نازل 0.85bar و همچنین نیروی تراست 1000n طراحی گردیده است. در روند طراحی موتور، روش¬ها و نتایج تجربی به کار برده شده تا هندسه بدست آمده با ارضاء تراست مورد نظر دارای کم¬ترین طول و در نتیجه دارای کمترین وزن باشد. برای طراحی نازل، روش رائو به کار برده می¬شود. در این روش از یک نازل پروفیلی بر اساس 80 درصد طول نازل مخروطی 15 درجه استفاده شده است. در این موتور برای پاشش سوخت و اکسید کننده به محفظه احتراق، یک انژکتور گریز از مرکز دوپایه با این فرض که این انژکتور شامل 100 درصد دبی اکسید کننده و 75 درصد دبی سوخت می¬باشد، طراحی شده است. برای خنک کاری داخلی از 8 عدد انژکتور جریان مستقیم استفاده شده است. موتور طراحی شده دارای طول کل 279.95mm، قطر محفظه احتراق 51mm و قطر گلوگاه نازل 21mm می¬باشد. بعد از حاصل شدن پارامترهای طراحی، محفظه احتراق و نازل با استفاده از نرم¬افزار سالیدورک (solidworks) مدل شده و از نرم¬افزارگمبیت(gambit) جهت مش زدن استفاده شده است. سپس به کمک نرم¬افزار فلوئنت) (fluent به حل عددی جریان داخل موتور، پرداخته شده است. خواص جریان سیال بعد از احتراق توسط نرم افزار rpa بدست آمده است. نتایج حاصل از جریان یک¬بعدی و آیزنتروپیک داخل نازل موتور و نتایج بعد از احتراق حاصل از شبیه¬سازی، دقت طراحی انجام شده را تائید نموده است.

این پایان نامه با هدف بررسی کارکرد موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن با سوخت هیدروژن تعریف و در طی آن شبیه سازی های مورد نیاز با استفاده از نرم افزار کمکین انجام گرفت. ابتدا یک مدل تک-ناحیه ای تعریف و پس از اعتبارسنجی با کارهای انجام شده از آن برای بررسی احتراق سوخت هیدروژن در موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن و بررسی تأثیر پارامترهای مختلف موتور استفاده شد، سپس مدل چند-ناحیه-ای معرفی و به مزایای این مدل نسبت به مدل تک-ناحیه ای اشاره شد. این مدل توانست تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی انجام شده نشان بدهد. با استفاده از مدل چند-ناحیه ای اثر پارامترهایی هم چون فشار اولیه، نسبت تراکم، دور موتور و نسبت هم ارزی بر احتراق هیدروژن در داخل سیلندر موتور بررسی شد. تأثیر گاز بازگشتی از خروجی موتور به داخل سیلندر (egr) نیز با استفاده از مدل تک-ناحیه ای در نرم افزار کمکین انجام گرفت. در نهایت، در شرایط کاری یکسان و برای موتوری با مشخصات معلوم، شبیه سازی با استفاده از مدل چند-ناحیه ای برای سه سوخت اتانول، هیدروژن و گاز طبیعی انجام شد و نتایج حاصل مورد تحلیل قرار گرفت. با توجه به نتایج حاصله، در مقایسه با سوخت های فسیلی هم چون گاز طبیعی، مقدار آلاینده های تولیدی سوخت هیدروژن بسیار پایین تر است و از نظر زیست محیطی سوختی پاک به حساب می آید. همچنین پارامترهای مختلف موتور مانند نسبت تراکم، دور موتور، دمای اولیه هوای ورودی، فشار اولیه هوای ورودی و مشخصه های سوختی هم چون نسبت هم ارزی، همگی بر روند احتراق هیدروژن موثر هستند و در هر شرایط کاری خاص هر یک مقداری بهینه دارند.

در این تحقیق از روش الگوریتم بهینه سازی پرندگان برای کاهش مکانیزم سوخت هیدروکربن استفاده شده است.روش مذکور برای احتراق استیلن در راکتور کاملاً آمیخته مورد آزمون قرار گرفته است.از حل معادلات حاکم بر احتراق سوخت هیدروکربن در راکتور برای مکانیزم کامل استیلن، کسر مولی اجزای شیمیایی و دمای کاری راکتور در زمان احتراق به دست خواهد آمد. الگوریتم با در نظر گرفتن شرایط حاکم بر احتراق و با حداقل سازی تابع هدف در راکتور کاملاً آمیخته، گونه های زائد واکنش را شناسایی و از مکانیزم کامل حذف می کند. پس از حذف گونه ها و واکنش های شامل آن ها، مکانیزمی موسوم به مکانیزم اسکلتی ایجاد شده و کسر مولی گونه های شیمیایی و همچنین دما با حل دستگاه معادلات جدید، به دست می آیند.

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 .