در این پایان نامه تحلیل عددی جریان های آشفته شتاب دار داخل لوله توسط مدل sst k-? مورد بررسی قرار می گیرد. مدل آشفتگی sst k-? یکی از انواع مدل های دومعادله ای محسوب می شود که در آن مدلk-? استاندارد به فرمولاسیون مدل k-? ویلکاکس سوئیچ می کند و در نتیجه آن یک ترم اضافی به نام ترم انتشار مشترک ظاهر می شود. برای اطلاع از ویژگی های sst آزمایشات متعددی صورت گرفته است و نتایج تحلیلی آن مورد بررسی قرار گرفته اند. مورد آزمایشگاهی در این پروژه، جریان ناپایای داخل لوله می باشد که توسط هی و جکسون انجام شده است. در این نوع جریان عدد رینولدز اولیه 7000 بوده و طی مدت زمان های مختلف به عدد رینولدز 45200 می رسد. سیال عامل در این تحقیق تجربی آب، و قطر لوله به-کار رفته 8ر50 میلیمتر می باشد. در نتایج تجربی به دست آمده مشخص شد که یکی از برجسته ترین ویژگی های پاسخ میدان جریان آشفته در مقابل شتاب تحمیل شده، تأثیر تأخیر در انتشار اغتشاشات می باشد. با مقایسه نتایج عددی مدل sst تحت همین شرایط آزمایشگاهی با نتایج تجربی نارسایی های مدل برای پارامترهای مختلف جریان به وضوح مشاهده گردید. به دلیل پاسخ بسیار آهسته پارامتر انرژی جنبشی اغتشاشی به شتاب تحمیل شده، تا قبل از اتمام دوره تأخیر، ایده اصلاح این مدل برای انطباق بیشتر با داده های آزمایشگاهی، اضافه کردن ضریبی به ترم سوم معادله نرخ اتلاف مخصوص بی-بعد، که معادل انتشار اغتشاش و لزجت است، قرار گرفت. رابطه اصلاحی تابعی از مدت زمان شتاب دهی به جریان، عدد رینولدز در لحظه اتمام تأخیر زمانی و فواصل مختلف از دیواره لوله می باشد که با اعمال این رابطه در برنامه 1d نتایج نسبتا خوبی در مقایسه با شرایط مدل پیش از اعمال تصحیحات و نتایج تجربی مشاهده شد.

بسیاری از جریانهای مورد مطالعه، دارای نواحی گردابهای بزرگ بوده که تا فواصل خیلی زیادی انتقال مییابند. جریانهایی نظیر جریان حول هواپیماها، کشتیها، اتوبوسها، پلها و ساختمانها دارای چنین طبیعتی هستند. روشهای مکانیک سیالات عددی مرسوم، تمایل به پخش نمودن نواحی گردابهای و در نتیجه کاهش دقت جریان محاسبه شده دارند. استهلاک حل را میتوان با ریز کردن شبکه کاهش داد. اما در مقابل زمان حل افزایش مییابد. یک راه حل معمول به منظور فائق آمدن بر این مشکل (افزایش دقت حل و در نتیجه پرهیز از استهلاک و پخش شدن سریع نواحی گردابهای)، استفاده از طرحهای با دقت مرتبه بالاتر و روشهای شبکه خود تطبیقی میباشد. منفصل سازی مرتبه بالاتر، زمان حل عددی را افزایش داده و روشهای خود تطبیقی به کنترلهای منطقی پیچیدهای نیاز دارند. روش تسخیر ورتیسیته به منظور کاهش خواص استهلاکی جریانهای گردابهای غیر قابل تراکم، اولین بار بوسیله اشتاینهف و همکارانش (1992) پیشنهاد شد. در این روش، جمله چشمه اضافه شده به معادلات ممنتوم ناویر- استوکس، خطاهای مربوط به انفصال معادلات حاکم را که باعث پخش شدن گردابه میشوند، کاهش داده و در نتیجه گردابهها تسخیر میشوند. این رهیافت بصورت موفقیت آمیزی برای انواع بسیار متفاوت، از گردابههای ساده تا اندرکنش گردابههای تولیدی از پره هلیکوپتر با بدنه آن، بکار گرفته شده است. تلاشهای متعددی بوسیله محققین بمنظور توسعه تسخیر ورتیسیته به جریانهای قابل تراکم انجام شد. اما کارهای مذکور نتایج رضایت بخشی در بر نداشت. بالاخره این روش با موفقیت بوسیله هو و همکارانش (2001) با در نظر گرفتن جمله چشمه مربوطه بصورت نیروی جسمی، در معادلات ممنتوم و کار انجام یافته توسط آن در معادله انرژی، برای جریانهای تراکم پذیر تعمیم داده شد. کار هو و همکارانش عمدتاً منحصر به شبکه کارتزین یکنواخت بود، بطوریکه پارامتر تسخیر ثابت نگهداشته میشد. علیرغم نتایج رضایت بخش روش مذکور، جمله تسخیر یک پارامتر ثابت بود که انتخاب آن مبتنی بر تجربه بود. همچنین ثابت تسخیر اگر چه دارای بعد سرعت بود، اما مقدار آن در کل حوزه ی حل، یک مقدار ثابت در نظر گرفته می شد. برای حل این مشکل، هو (2001)، روش جدیدی را پیشنهاد کرد که پارامتر تسخیر متغیر می تواند تابعی از ماتریس های ژاکوبین شار باشد. ( روش های و ) در ادامه، مورایاما (2001)، فدکیو (2001) و لوهنر (2002)، تحقیقات بیشتری را در این زمینه انجام دادند. رابینسون (2004) فورمولبندی خاصی را برای ترم تسخیر ورتیسیتی تراکم پذیر بدست آورد. ملک جعفریان و پسندیده فرد (2007) سه پارامتر تسخیر متغیر با استفاده از طرح های اتلاف مصنوعی اسکالر، ماتریسی و cusp ارائه دادند و با استفاده از آن ها مسائل مختلفی را حل کردند. باتسونترن و جیمسون (2008)، یک شکل جدید برای تسخیر ورتیسیته ارائه کردند که متناسب با لگاریتم نسبت حجم سلول و مقدار هلیسیتی بود. هان و یاچارینو (2008)، دو روش جدید برای محاسبه ی تسخیر ورتیسیته ارائه کردند. در کار حاضر، هدف، مطالعه و مقایسهی روشهای تسخیر ورتیسیتهی فوق و کاربرد این روشها برای حل چند جریان گردابه غالب دو بعدی نظیر گردابهی در حال حرکت، اندرکنش شوک- گردابه و لایهی برشی مافوق صوت میباشد.

در این تحقیق روش طیفی زمانی در شبیه سازی مسائل ناپایدار تناوبی مانند ایرفویل های نوسانی معرفی می گردد. این روش از یک ماتریس کالوکیشن فوریه استفاده می کند که این ماتریس تمام متغیر های وابسته در همه ی مراحل زمانی با فاصله ی مساوی را با هم در گیر می کند. فر ایند حل متغیر های وابسته در تمام فواصل زمانی همزمان تکرار می شوند تا به یک حالت تناوبی پایدار برسند. بر خلاف روش های گام زنی زمانی قدم به قدم (نظیر صریح و ضمنی) خاصیت تناوبی یک فرض در شروع حل می باشد. در فصل دوم به معرفی فرمولاسیون ریاضی این روش و الگوریتم حل معادلات حاکم بر جریان با تکنیک طیفی زمانی پرداخته می شود. مقایسه ی بین روش طیفی زمانی به عنوان یک الگوریتم جدید در تحلیل جریان های تناوبی و فرمولاسیون تفاضلی پسرو به عنوان یک روش سنتی، به وسیله ی ارائه ی نتایج حاصل از مشتق گیری عددی از یک تابع تناوبی دلخواه در یک پریود انجام شده است. نتایج حاصله، نشان از دقت و سرعت بالای الگوریتم طیفی زمانی نسبت به روش های تفاضلی پسرو در مشتق گیری عددی از یک تابع پریودیک می باشد. این نتایج یک تصدیق خوب برای مزیت روش طیفی زمانی در شروع کار می باشد. در فصل سوم معادلات حاکم بر جریان بررسی می شود. در ادامه به انفصال معادلات حاکم برای حل عددی، پرداخته می شود. فصل چهارم نتایج حاصل از تحلیل عددی میدان جریان حول ایرفویل های نوسانی مختلف را ارائه می دهد. مقایسه نتایج حاصل از روش طیفی زمانی با نتایج آزمایشگاهی، جهت تأیید دقت این روش برای تحلیل معادلات جریان ناپایا انجام شده است. به دلیل فرض تناوبی و استفاده از تبدیلات فوریه در زمان، کاهش چشمگیری در هزینه ی محاسبات نسبت به روش های زمانی دقیق معمولی مشاهده می شود. نتایج نشان می دهد که برای تسخیر فیزیک مسأله یه تعداد اندکی از فواصل زمانی تیاز می باشد.

جریان های گردابه ای در هواپیماهای پروانه دار، بال های هواپیما، پشت کشتی های زیردریایی، بدنه هواپیما و قتی تحت زاویه حمله بالا قرار می گیرد وجود دارند. به علت پخش خطای عددی در جریان های گردابه ای، آن روشی دقیق تر است که اندازه گردابه ها را با دقت بیشتر و خطای عددی کمتر به دست دهد. به همین دلیل به منظور افزایش دقت در روش های عددی ارائه شده برای جریان های گردابه ای بطور کلی روش های زیر ارائه می شود: 1. افزایش تعداد نقاط شبکه: این روش چون در تمام حوزه محاسباتی تعداد نقاط را افزایش می دهد، باعث افزایش زمان محاسبات می گردد. 2. دقت های با مرتبه بالاتر : این روش روشی بسیار زمانبر است. 3. روش تسخیر ورتیسیته: در این روش چون انتخاب ثابت پارامتر تسخیر مبتنی بر سعی و خطاست حل مسائل به کمک این روش بسیار زمانبر خواهد شد. 4. روش پالایش شبکه تطبیقی: در این روش فقط جاهایی که تغییرات مهم خواص میدان جریان وجود دارد شبکه ریز می شود. عمل ریز کردن با دو روش زیر انجام می گردد: الف)روش تطبیق شبکه جا داده شده، بروش تطبیق شبکه توزیع مجدد. به علت ریز شدن شبکه در نواحی مورد نیاز حجم زیادی از محاسبات کاهش می یابد همچنین عدم اتکای روش مذکور بر انتخاب ثابت های مبتنی بر سعی و خطا از دیگر مزایای این روش است. به عنوان بخشی از کار حاضر از روش مذکور به منظور تحلیل جریان های گردابه ای استفاده شده است. تلاش های متعدد انجام گرفته در پالایش شبکه تطبیقی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد: داویس و دننهوفر(1994)تطبیق سه بعدی شبکه جاداده شده را بررسی کردند، عامری و شیرانی(4200)روی ترکیب روش های تطبیق توزیع مجدد و شبکه جا داده کار کردند، رماکی و حبشی(2005)روشهای تطبیق خصوصا“ روشهای توزیع مجدد و جاداده شده را مورد بررسی قرار دادند، عامری و علومی(2007)روی ترکیب روش های تطبیق توزیع مجدد و شبکه جا داده کار کردند. اما مشکل استفاده از روش پالایش و تطبیق شبکه در جریان های گردابه ای، تشخیص درست گردابه ها می باشد عدم تشخیص درست منجر به تطبیق نادرست و در نتیجه صرف زمان زیاد حل عددی می گردد برای این منظور از روش ردیابی مشخصه ای که بر مبنای تعریف دقیق ناحیه گردابه ای ( بحث داغ محققان در سال های اخیر ) استفاده می شود. در روش ردیابی مشخصه ای یک تابع آستانه ای برای ردیابی گردابه تعریف می شود. در هر المان این تابع محاسبه شده و اگر مقدار تابع حاصل از یک مقدار مشخص شده اولیه بزرگتر باشد المان برای پالایش انتخاب می گردد. تلاش هایی که در این زمینه انجام شده به شرح زیر است: هانت(1988)از روش q بی بعد استفاده کرد. این روش براساس دو پارامتر (چرخش موضعی)و s(نرخ تغییر شکل موضعی)(قسمت پادمتقارن و متقارن تانسور گرادیان سرعت) و ارتباط بین این دو پارامتر، q(قدرت گردابه)، نامیده می شود تعریف می شود. چنگ(1990)روش اصلاح شده را به کار برد. در این روش از مقادیر ویژه تانسور گرادیان سرعت، یک معادله به دست می آید که از حل آن می توان به یک پارامتر که قدرت چرخش نامیده می شود رسید، ارتباط زیادی بین این پارامتر و ورتیسیته وجود دارد. جنگ(1995)از روش بی بعد استفاده کرد. در این روش ابتدا از معادله ناویر استوکس گرادیان گرفته می شود سپس گرادیان شتاب به دو قسمت (چرخش موضعی)و s(نرخ تغییر شکل موضعی) تجزیه می گردد از حل آن معادله سه مقدار ویژه به دست می آید که حالت منفی آن مورد نظر است،جیمسون(2009)با تعریف یک تابع آستانه برای هر کدام از روش های فوق آن ها به صورت بی بعد در آورد. (برای اینکه از قید اسکیل رهایی پیدا کند از فرم بی بعد استفاده کرد) با توجه به مقدمه ذکر شده هدف کار حاضر استفاده از روش های تطبیق و پالایش شبکه و ردیابی مشخصه ای به منظور تحلیل دقیق تر جریان های گردابه ای می باشد در نتیجه از به کارگیری شبکه ریز در نواحی غیرضروری جلوگیری به عمل می آید همچنین ترکیب این دو روش باعث افزایش سرعت و دقت در تحلیل جریان های گردابه ای می شود . به منظور رسیدن به هدف فوق از کد کامپیوتری دو بعدی که قادر به حل معادلات اویلر و ناویر استوکس جریان تراکم پذیر می باشداستفاده خواهد شداین برنامه عددی معادلات گسسته سازی شده را به کمک طرح تفاضل مرکزی و با گام زمانی محلی حل می کند.

بسیاری از جریان های مورد مطالعه در مهندسی توربولنس می باشند. در جریان های توربولنس با حرکت کاتوره ای و سه بعدی ذرات سیال که به حرکت میانگین افزوده می گردد، رو به رو هستیم. به این دلیل خصوصیات جریان را به صورت مجموع یک مقدار میانگین و یک مقدار نوسانی در نظر می گیریم. این امر باعث افزایش تعداد مجهولات و انسداد معادلات می شود. با استفاده از روش های متوسط گیری و به ویژه متوسط چگالی وزنی فیوره، تعداد مجهولات را به یک عبارت که تانسور تنش رینولدز نامیده می شود کاهش می دهیم. به منظور بر طرف کردن کامل این انسداد به یک مدل توربولنس به منظور شبیه سازی عبارت تنش رینولدز نیاز است. در کار حاضر از مدل توربولنس اسپالارت- آلماراس (sa) به منظور شبیه سازی عبارت تانسور تنش رینولدز استفاده شده است. مدل اسپالارت- آلماراس به عنوان معادله کمکی به معادلات حاکم بر جریان (معادلات ناویر- استوکس) اضافه می شود. این معادلات در یک برنامه کامپیوتری که برای استفاده در کامپیوترهای کوچک بسط داده شده است، حل می شوند. یکی از ویژگی های این برنامه کامپیوتری استفاده از طرح زمانی رانگ- کوتای چهار مرحله ای می باشد. به منظور بر طرف کردن محدودیت گام زمانی در این طرح، از گام زمانی محلی استفاده می شود. از دیگر ویژگی های این برنامه استفاده از روش اتلاف مصنوعی به منظور دستیابی به نتایج دقیق تر در نواحی دارای گرادیان های بزرگ مانند امواج ضربه ای می باشد. به منظور بررسی اعتبارسنجی مدل انتخابی، جریان توربولنس برای چهار هندسه مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. در ابتدا جریان گذر از صوت عبوری از روی صفحه تخت که دارای یک هندسه نسبتاً ساده می باشد و سپس جریان حول ایرفویل و پرتابه که دارای پیچیدگی های بیشتر می باشند، مورد مطالعه قرار می گیرد. همچنین در این کار جریان حول یک ایرفویل نوسانی به عنوان کار جدید مورد مطالعه قرار می گیرد. در این مسأله روش طیفی زمانی و مدل توربولنس همزمان با هم مورد بررسی قرار می گیرند.

ورتکس تیوب وسیله ای است که امکان جدا سازی گاز گرم و سرد را از گاز فشرده ورودی که به صورت مماسی وارد میشود امکان پذیر میکند. این وسیله در ابتدا توسط رانک، متالوژیست و فیزیکدان در سال 1932 اختراع شد. ورتکس تیوب در جاهایی که نیاز به دمای پایین وجود دارد مانند :قطعات ماشین آلات ساپورت دستگاهها کاربرد دارد. در پایان نامه حاضر ابتدا جریان در داخل ورتکس تیوب به کمک نرم افزار فلوئنت مورد بررسی قرار میگیرد . برای این منظور در ابتدا ورتکس تیوب بررسی شده در کار عددی پروموونگ (2007) شبیه سازی شده و نتایج با نتایج ایشان و کارهای آزمایشگاهی موجود مقایسه شده است. سپس تاثیر ابعاد ورتکس تیوب و نوع گاز بر جدایش انرژی در ورتکس تیوب مورد بررسی قرارگرفته است. همچنین در ادامه ورتکس تیوب مورد مطالعه در کار عددی-آزمایشگاهی اسکای(2006) شبیه سازی شده و نتایج حاصله با نتایج اسکای مقایسه شده است. به عنوان بخش اصلی کار حاضر، از کد عددی جیمسون برای تحلیل جریان داخل ورتکس تیوب استفاده شده تا قابلیت این کد در ارزیابی چنین جریان پیچیده ای مورد آزمون قرار گیرد. لازم به ذکر است که کد مربوطه یک حل کننده جریانهای تراکم پذیر آرام در مختصات کارتزین می باشد. از آنجاکه هندسه مورد بررسی در پایان نامه حاضر، یک هندسه دو بعدی دارای تقارن محوری به همراه چرخش جریان کاملا آشفته می باشد، لذا ابتدا معادله چرخش و همچنین معادله ای برای تحلیل جریان درهم به کد مربوطه اضافه گردیده است. برای این منظور مدل درهم اسپالارت آلماراس که یک مدل درهم یک معادله ای است به کد اضافه شده است. در انتها به منظور ارزیابی کد عددی تکمیل شده، نتایج گرفته شده از آن با نتایج بدست آمده از کار پروموونگ و فلوئنت مقایسه شده است.

در کار حاضر برای اولین بار الگوریتم های بهینه سازی انفجار بزرگ- انقباض بزرگ و پرندگان با هم ترکیب شده اند و این الگوریتم ترکیبی برای اولین بار جهت بهینه سازی یک مقطع آیرودینامیکی استفاده شده است. مقطع مورد مطالعه، ایرفویل بوده که هندسه ی آن با روش 4 رقمی ناکا معرفی شده است. معادلات اویلر برای مدل سازی جریان غیر لزج حول ایرفویل حل شده است. ابتدا اعتبار سنجی الگوریتم بهینه سازی ترکیبی کار حاضر برای چند تابع محک انجام شده و نتایج با الگوریتم جستجوی هارمونی مقایسه گردیده است. جریان مورد مطالعه در سرعت های نزدیک صوت با زاویه حمله کم می باشد. طراحی بهینه سازی هندسه ایرفویل با روش های معکوس و مستقیم مورد مطالعه قرار گرفته است. تابع هدف در بهینه سازی معکوس، اختلاف ضرایب فشار ایرفویل های بهینه شده در هر مرحله با ایرفویل هدف تعریف شده و ایرفویل های naca0012 و naca4812 به عنوان ایرفویل های شروع و هدف در نظرگرفته شده است. بار دیگر مسئله برای ایرفویل naca4812 جهت تبدیل معکوس به ایرفویل naca0012 حل شده است. در بهینه سازی مستقیم توابع هدف به صورت نسبت ضریب پسا بر ضریب برآ جهت مینیمم سازی، مینیمم ضریب پسا با قید ثابت ماندن ضریب برآ، ماکزیمم ضریب برآ با قید ثابت ماندن ضریب پسا و ضرایب پسا و برآی مشخص با قید ثابت ماندن مساحت تعریف شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که الگوریتم بهینه سازی ترکیبی یک روش بسیار خوب جهت بهینه سازی مقاطع آیرودینامیکی در سرعت های گذر صوتی می باشد.

هدف این تحقیق بررسی ویژگیهای سیال تحت تاثیر جریان شتاب دار آشفته است. در این پایان نامه، جریان شتاب دار آشفته در یک لوله برای اعداد رینولدز، از 7000 تا 45200 (بر پایه سرعت متوسط و قطر) بوسیله شش مدل معمول جریان متلاطم شبیه سازی می شود. زمان دوره شتابدهی از 5 ثانیه تا 45 ثانیه است. مدلهای مفروض شامل مدل جبری بالدوین-لومکس (bl)، مدل تک معادله ای اِسپالارت-آلماراس (sa)، مدلk-e با تصحیح دیواره لام-برِمهارست (ke)، مدل k-w ویلکاکس (kw) ، مدل تنش برشی انتقالی مِنتِر (sst) و مدل kev2 دوربین (kev2) می باشند. نتایج حاصل از این مدل ها با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده اند. برای تحلیل بهینه جریان در لوله، سه حالت یک بعدی و دو بعدی و سه بعدی بررسی شد و با مقایسه نتایج، استفاده از مدل یک بعدی برای تحلیل این نوع رژیم جریان مناسب تشخیص داده شد. برای تحلیل عددی در این رساله از روش گسسته سازی کرانک-نیکلسون استفاده شده است و معادلات توسط روش ماتریس سه قطری حل شده اند. یکی از ویژگی های متمایز کننده جریان مورد مطالعه با جریان آشفته غیر شتاب دار، میزان طول توسعه یافتگی در لوله می باشد که از رابطه طول توسعه یافتگی معمول تبعیت نمی کند. طول توسعه یافتگی در جریان آشفته شتاب دار بیش از طول معادل در حالت بدون شتاب محاسبه می گردد. یکی دیگر از وجوه تمایز جریان شتاب دار آشفته با جریان غیر شتاب دار، ظهور پدیده ای موسوم به تأخیر زمانی است که در مشخصه های سیال بروز پیدا می کند. بطوری که هر یک از مشخصه های جریان از جمله انرژی جنبشی تلاطمی، شدت آشفتگی، نوسانات سرعت و ... با تأخیر زمانی نسبت به جریان بدون شتاب (جریان شبه پایا) شروع به تغییر می کنند. زمان تأخیری انرژی جنبشی جریان متلاطم محاسبه شده در نزدیکی خط مرکزی لوله که توسط مدل kev2 محاسبه می گردد به نتایج آزمایشگاهی نزدیک است. مدل kev2 بهترین نتایج را نسبت به سایر مدل های انتخاب شده به خصوص در ناحیه دور از دیواره بدست می دهد. در انتهای رساله، مدل kev2 با استفاده از مشخصه v2 برای جریان شتابدار اصلاح می شود. اصلاح صورت گرفته نشاندهنده تاثیر مثبت آن بر روی همه مشخصه ها می باشد. این اصلاح برای دوره های مختلف شتابدهی مورد بررسی قرار گرفت که نشاندهنده تاثیر مثبت آن بر نتایج در زمانهای مختلف دوره شتابدهی می باشد.

در این پژوهش، جریان آشفته شتابدار خطی در یک لوله برای اعداد رینولدز 7000 تا 45200 (بر پایه سرعت متوسط و قطر) بوسیله پنج مدل معمول جریان آشفته شبیه سازی می شود. از کاربردهای این نوع جریان می توان به توربوماشین ها، نیروگاه های هسته ای، مبدل های گرمایی، جریان خون در رگ ها و جریان هوا در ریه انسان اشاره کرد. مدل های موردنظر شامل مدل جبری بالدوین-لومکس (bl)، مدل تک معادله ای اِسپالارت-آلماراس (sa)، مدلk-? ویلکاکس، مدلk-? با تصحیح دیواره لام -برِمهارست و مدل k-?-v2 می باشند. در کار حاضر پارامترهای موثر بر تنش برشی دیواره نظیر قطر، لزجت، رینولدز اولیه و نرخ شتابدهی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله از این مدلها با نتایج تجربی و عددی دیگران مقایسه شده اند که در مطالعات قبلی صورت نگرفته است . یکی از پدیده های جریان ناپایا، اثر تأخیر است. سرعت و زمان تأخیر پیش بینی شده بوسیله مدلها به جز مدل bl ، به خوبی با مقادیر اندازه گیری شده برای یک دوره کامل شتاب دهی جریان با دبی افزایشی در کوتاه مدت (دوره 5 ثانیه) و بلند مدت )دوره 45 ثانیه (انطباق دارد. زمان تأخیری انرژی جنبشی جریان آشفته محاسبه شده در نزدیکی خط مرکزی لوله تقریباً 4 ثانیه می باشد که با نتایج آزمایشگاهی مطابقت دارد. مدل k-?-v2 بهترین نتایج را نسبت به مقادیر اندازه گیری شده در ناحیه دور از دیواره بدست می دهد و نتایج مدل bl در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی ضعیف ظاهر شد.

در این رساله برنامه عددی حل ناپایا و تراکم پذیر معادلات اویلر و ناویر-استوکس که به صورت حجم محدود بسط داده شده و از روش گام زمانی رانگ- کوتا بهره می برد، به منظور تحلیل جریان دو بعدی حول ایرفویل های متحرک نوسانی و بال زن مورد استفاده قرار گرفته است. برای تحلیل جریان های ناپایا با رینولدز بالا می توان از روش دینامیک سیالات محاسباتی شبکه درشت استفاده کرد. در این روش معادلات اویلر با شبکه درشت و شرط مرزی عدم لغزش حل شده که این شرایط منجر به افزایش مصنوعی و شدید ضخامت لایه مرزی می شوند. با اضافه کردن روش مهار گردابه سطحی تراکم پذیر می توان این رشد مصنوعی را به نحو مناسبی کنترل نمود. همچنین جهت مدلسازی حرکت مرز از شبکه تطبیق پذیر فنری چند منطقه ای استفاده شده است. در نهایت با استفاده از روش های حل فوق که اعتبار نتایج آنها بررسی می شود، کد عددی تهیه شده که جریان ناپایا حول ایرفویل های بال زن همراه با تغییر شکل را با دقت قابل قبول و سرعت بسیار بالا شبیه سازی می کند. سرعت بالای این روش کمک می کند که در اعداد رینولدز بالا حل های بسیار زیادی جهت بررسی تاثیر پارامترهای ناپایای نوسانی بر مشخصات آئرودینامیکی ایرفویل های متحرک انجام شود. تغییر شکل های اعمال شده شامل باد کردن سطح حین نوسان پیچشی و حرکت دم ایرفویل ثابت است. نتایج نشان می دهد که نوسان ناپایای دم در شرایط خاصی باعث افزایش نیروی برآ در زوایای حمله پایین می شود. همچنین باد کردن سطح، تحت حالات نوسانی مشخص واماندگی دینامیکی در زوایای حمله بالا را به تأخیر می اندازد. در رینولدز های پایین یک تحلیل تجربی بر روی توزیع فشار ایرفویل پیچشی در تونل باد انجام شده که نتایج آن با نتایج عددی مقایسه گردیده اند. جهت مقایسه داده های تجربی تونل باد با نتایج عددی، معادلات ناویر-استوکس به صورت کامل به کمک مدل آشفتگی یک معادله ای اسپالارت-آلماراس برای جریان با رینولدز پایین تحلیل شده اند که منجر به حلی بسیار زمان بر می شود.

در کار حاضر، الگوریتم بهینه سازی تکاملی جستجوی هارمونی، به منظور بهینه سازی مقاطع آیرودینامیکی توسعه داده شده است. در ابتدا، برای بالا بردن کارایی الگوریتم جستجوی هارمونی، اصلاح کارآمدی بر روی آن انجام شده است. الگوریتم اصلاح شده توسط توابع استاندارد ارزیابی گردیده است. قبل از بررسی مقاطع آیرودینامیکی، الگوریتم بهینه سازی اصلاح شده، برای بهینه سازی هندسه ی یک پره ی سوزنی، با انتقال حرارت جابجایی و تابش، به منظور دست یابی به بیشینه مقدار انتقال حرارت از سطح آن تست شده است. مقطع آیرودینامیکی مورد بررسی در کار حاضر ایرفویل بوده است. سه روش متداول معرفی کننده ی هندسه ی ایرفویل (منحنی های بزیر، پارسس و فرمول های 4 رقمی ناکا) به تفصیل بررسی شده و با استفاده از الگوریتم بهینه سازی اصلاح شده، به روش طراحی بهینه سازی معکوس (با استفاده از یک تابع هدف غیر آیرودینامیکی) مورد آزمایش قرار گرفته اند. در نهایت روش پارسس به دلیل داشتن انعطاف پذیری بالا و دارا بودن تعداد پارامتر کنترلی کمتر، برای معرفی هندسه ی ایرفویل استفاده شده است. معادلات تراکم پذیر دو بعدی ناویر-استوکس به همراه مدل درهم اسپالارت-آلماراس برای شبیه سازی جریان مورد استفاده قرار گرفته است. برای بهینه سازی هندسه ی ایرفویل، روش طراحی بهینه سازی، به صورت معکوس و مستقیم انتخاب گشته است. در طراحی بهینه سازی معکوس، تابع هدف، اختلاف توزیع فشار ایرفویل در حال بررسی و ایرفویل هدف می باشد. الگوریتم بهینه سازی جستجوی هارمونی، با تغییر متغیرهای طراحی ایرفویل (مربوط به روش پارسس)، درصدد رسیدن به متغیر های بهینه و متعاقبا حصول به ایرفویل هدف بر آمده است. برای این کار، الگوریتم بهینه سازی از ایرفویل naca0012 شروع کرده و با نزدیک کردن توزیع فشار به توزیع فشار ایرفویل هدف (rae2822)، آن را بازسازی کرده است. برای بررسی دقیق تر و اطمینان از صحت و دقت الگوریتم بهینه سازی، این عمل در جهت عکس نیز انجام شده است. یعنی با شروع از ایرفویل rae2822، ایرفویل naca0012 بازسازی شده است. در روش طراحی بهینه سازی مستقیم، تابع هدف، نسبت برآ به پسا بوده و الگوریتم در راستای بیشینه کردن آن عمل کرده است. در این حالت، الگوریتم از ایرفویل naca0012 شروع کرده و به ایرفویل بهینه دست یافته است. نتایج نشان می دهد که استفاده از روش پارسس و الگوریتم جستجوی هارمونی اصلاح شده برای بهینه سازی آیرودینامیکی، در حد خوب و چه بسا بهتر از روش های گرادیانی می باشد.

در پایان نامه ی حاضر, تحلیل آیرودینامیکی و دینامیکی سه فشنگ رایج از تفنگ های بادی در جریان گذر صوت مورد توجه قرار گرفته است. این فشنگ ها دارای کالیبر یکسانی هستند امّا دماغه ی آنها با یکدیگر متفاوت است. پس از یک عملیات عکس برداری دقیق, فشنگ ها به کمک کامپیوتر مدلسازی هندسی شدند تا نقشه ی صنعتی آنها بدست آید. سپس, این نقشه ها برای استخراج تعداد مناسبی از نقاط مبیّن هندسه که در مش بندی حوزه ی حل کاربرد دارند, بکار گرفته شدند. حوزه ی حل, همانند کار حاضر, معمولاً به صورت ناحیه ای دایره ای شکل به شعاع پانزده برابری شعاع فرضی پرتابه ی مورد نظر, تعریف می شود. پس از طی این مراحل, معادلات کامل ناویر - استوکس, به عنوان معادلات حاکم بر میدان جریان سیال, با استفاده از روش جیمسون که یک روش عددی است, حل شدند. نتایج آیرودینامیکی حاصله شامل خطوط جریان, ضرایب درگ و فشار و همچنین کانتورهای عدد ماخ و فشار هستند. این نتایج چگونگی تغییرات ضریب درگ بر حسب عدد ماخ جریان آزاد را نشان می دهند. در گام بعد, معادلات حاکم بر مسیر حرکت پرتابه که به تغییرات ضریب درگ وابسته اند استخراج شدند و همانند معادلات آیرودینامیکی حاکم در اعداد ماخ کمتر, مساوی و بیشتر از یک حل شدند. نتایج دینامیکی بدست آمده در جریان گذر صوت مورد بحث و بررسی قرار گرفتند. این نتایج شامل نمودارهای مسیر حرکت, افت سرعت بر حسب زمان, افت ماخ جریان آزاد بر حسب مکان, مومنتوم آغازین و انتهایی و ... می باشد. براساس تحلیل های انجام شده, از نقطه نظر آیرودینامیکی فشنگ نوع سوم در گستره ی قابل توجهی از عدد ماخ جریان آزاد, فشنگ برتر بوده و غالباً بهترین شرایط دینامیکی را احراز نموده, لیکن در مورد فشنگ های نوع اول و دوم, تعیین فشنگ برتر به لحاظ دینامیکی منوط به گستره ای از عدد ماخ می شود که در آن پرتابه برد مؤثر خود را می پیماید. بر اساس نتایج اخذ شده, فشنگ نوع اول در اعداد ماخ پایین , پرواز بهتری نسبت به فشنگ نوع دوم از خود به نمایش می گذارد, در حالی که برای اعداد ماخ نزدیک به یک و بالاتر از آن برتری از آن فشنگ نوع دوم است. همچنین با انجام چندین شلیک آزمایشی اعتبار تحلیل های دینامیکی صورت گرفته مورد تأیید قرار گرفته است.