هدف از این تحقیق، بهبود پایداری روش شبکه بولتزمن در شبیه سازی جریان های گرمایی مغشوش در اعداد رایلی بزرگ و ارائه یک مدل پایدار برای شبیه سازی اینگونه جریان ها می باشد. بدین منظور در ابتدا عوامل موثر در شبیه سازی این گونه جریان ها با استفاده از روش شبکه بولتزمن نظیر نوع شبکه مورد استفاده، تکنیک های بهبود پایداری، مدل اغتشاش، تراکم پذیری یا غیر تراکم پذیری مدل شبکه ، نوع مدل گرمایی، نحوه پیاده سازی و اعمال شرایط مرزی مورد بررسی قرار گرفته است که منجر به ارائه یک مدل ترکیبی مناسب گردید. در حالت دوبعدی این مدل ترکیبی متشکل از 1) مدل شبکه d2q9، 2) روش شبکه بولتزمن با ضریب تخفیف چندتایی، 3) مدل تراکم ناپذیر گیو و همکاران، 4) مدل شبیه سازی گردابه های بزرگ بهمراه دو مدل زیرشبکه اسماگورینسکی و مدل زیرشبکه ویسکوزیته با مقیاس ترکیبی و درهم، 5) مدل گرمایی شبکه بولتزمن هیبرید، 6) شرط مرزی mid-grid بوده و با استفاده از روش tllbm بر روی یک شبکه غیر یکنواخت پیاده سازی گردید. به منظور تصدیق اعتبار آن، جریان مغشوش rbc در اعداد رایلی مختلف تا مقدار 1015 شبیه سازی شد. در حالت سه بعدی این مدل از ترکیب 1) مدل شبکه d3q19، 2) ترکیب روش شبکه بولتزمن با ضریب تخفیف چندتایی و روش شبکه بولتزمن حجمی کسری، 3) مدل تراکم ناپذیر گیو و همکاران، 4) مدل شبیه سازی گردابه های بزرگ بهمراه دو مدل زیرشبکه اسماگورینسکی و مدل زیرشبکه ویسکوزیته با مقیاس ترکیبی و درهم، 5) مدل گرمایی شبکه بولتزمن هیبرید، 6) شرط مرزی mid-grid تشکیل گردید و بر روی یک شبکه یکنواخت اعمال شد. بمنظور اعتبار سنجی آن، جریان سه بعدی nc در اعداد رایلی مختلف تا مقدار 1015 شبیه سازی شده است. نتایج نشان می دهد که هر دو مدل قابلیت شبیه سازی جریان های گرمایی مغشوش در اعداد رایلی بزرگ را دارا می باشند.

توربین های گازی استفاده بسیار گسترده ای در صنعت دارند. بازده حرارتی و توان خروجی این توربین ها با افزایش دمای گاز ورودی افزایش می یابد. با توجه به محدودیت دما برای قطعات، خنک کاری یک امر ضروری است. برای بررسی خنک کاری با توجه به هزینه های بالای آزمایشات مربوطه نیاز به شبیه سازی توربین وجود دارد. برای یک شبیه سازی واقعی همواره نیاز به اطلاعاتی کامل از شرایط کارکرد توربین وجود دارد که عموما مشخص نیست و بدست آوردن آن مستلزم صرف هزینه های زیاد است. لذا ضروری به نظر می رسد که میزان ارزش اطلاعات دقیق از شرایط کارکرد توربین گاز مشخص شود تا بدانیم که آیا لازم است برای بدست آوردن این مجهولات هزینه های مربوطه صرف شود یا اینکه تاثیر این پارامتر ها به قدری نیست که ارزش این هزینه های بالا را داشته باشد. از سوی دیگر در صورت تخمین زدن این مقادیر نتایج حاصل تا چه اندازه قابل اعتماد است. به همین منظور در این پژوهش آثار بکار گیری تقریب های معقول در مرزهای ناحیه محاسباتی بر روی نتایج شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور در گام نخست یک پره ثابت با استفاده از روش حل همزمان حرارتی به صورت سه بعدی به کمک نرم افزار fluent شبیه سازی شد. تطابق بسیار خوب نتایج با مقادیر تجربی نشان می دهد حل همزمان جریان و انتقال حرارت در سیال و جامد یک روش کارا برای پیش بینی وضعیت جریان بر روی پره توربین گاز می باشد. پس از کسب اطمینان از صحت نتایج شبیه سازی به بررسی میزان اثر تقریب های معقول برای شرایط مرزی مورد استفاده در هریک از مرزهای ناحیه محاسباتی پرداخته شده است. در مرز ورودی کانال اصلی تغییر طول مشخصه اغتشاش در محدوده صنعتیِ مورد بررسی تا 6/0 درصد بر روی دمای سطح پره تاثیر می گذارد. میزان این تاثیر بر روی دما با تغییر شدت اغتشاش در مرز ورودی کانال اصلی حداکثر به 8/1 درصد می رسد. استفاده از پروفیل های معقول و حداکثری برای سرعت جریان ورودی به کانال اصلی می تواند تا 8/3 درصد بر روی نتایج دما تاثیر بگذارد. در صورتی که اطلاعات کافی از پروفیل سرعت سیال ورودی در یک توربین صنعتی در دسترس نباشد، توصیه می شود که از یک پروفیل میانی مانند پروفیل تجربی مورد استفاده در این پژوهش استفاده شود. با انجام این کار میزان حداکثر خطای ممکن ناشی از دقیق نبودن شرط مرزی بر روی نتایج دمای بدست آمده به حدود2/2 درصد می رسد. برای پروفیل دمای جریان ورودی به کانال اصلی نتایج نشان می دهد که نوع پروفیل منحنی شکل بکار گرفته شده خیلی تاثیر گذار نیست(میزان تاثیر منحنی بکار رفته بر روی دمای سطح پره کمتر از 7/0 درصد است)، ولی بین نتایج پروفیل منحنی و پروفیل یکنواخت برای دمای سیال ورودی تفاوت نتایج قابل ملاحظه است. از آنجا که روند نتایج مربوط به پروفیل های منحنی شکل با مشاهدات تجربی تطابق خوبی دارد لذا شدیدا توصیه می شود در صورتی که اطلاعات کافی از پروفیل دمای سیال ورودی در یک توربین صنعتی در دسترس نباشد، که از یک پروفیل منحنی شکل مانند پروفیل تجربی مورد استفاده در این پژوهش استفاده شود. شدت اغتشاش جریان ورودی به کانال های خنک کاری تا یک درصد و پروفیل سرعت این جریان تا 2 درصد بر روی دمای بدست آمده در سطح پره تاثیر می گذارد. اثر در نظر گرفتن خنک کاری در دیواره های انتهای پره با تقریب خوبی قابل صرف نظر است. بدیهی است که مقادیر اعداد مذکور مختص پره مورد بررسی است و در حالت کلی تنها معرف مرتبه بزرگی تاثیرات است.

توربینهای گاز با توجه به نیاز روز افزون بشر به انرژی، مورد توجه محققین بسیاری در سالهای اخیر بوده اند. لذا اطلاع داشتن از پدیده هایی که در عبور جریان از پره های توربین گاز اتفاق می افتد بسیار حائز اهمیت است. بدین منظور در این پروژه اثر تعدادی از پارامترهای مختلف موثر در جریان بر روی پره های استاتور توربین گاز با استفاده از نرم افزار cfx به شکل سه بعدی بررسی شده اند. در اینجا به طور خلاصه به تعدادی از این نتایج اشاره میشود. شبکه عددی بعنوان یکی از پارامترهایی که مورد بررسی قرار گرفته اند تاثیر زیادی بر دقت نتایج دارد. بدین منظور استقلال از شبکه بعنوان نقطه شروع کار برای سه شبکه مختلف بررسی شده است. تعیین مدل جریان مغشوش عامل مهم دیگری است که در این پروژه به آن توجه ویژه شده است. چهار مدل k-?، k-?، sst و rsm برای بررسی خصوصیات انتقال حرارت و آیرودینامیک پره استاتور c3x بدون کانالهای خنک کاری مورد استفاده قرار گرفته اند. در پیش بینی توزیع فشار اطراف پره این چهار مدل نتایج یکسانی را نشان میدهند که همگی با داده های آزمایشگاهی تطابق خوبی دارند. اما در بررسی توزیع دما اطراف پره مدل دو معادله ای sst نتایج بهتری را در مقایسه با نتایج تجربی ارائه میکند بطوریکه خطای آن کمتر از 5/1 درصد است. در این پروژه اثر تغییر شدت اغتشاش ورودی بر روی خصوصیات آیرودینامیک و انتقال حرارت جریان در مقطع میانی و در دیواره های بالا و پایین پره بررسی شده اند. با افزایش شدت اغتشاش انتقال حرارت از پره بهبود می یابد ولی در دیواره های بالا و پایین پره انتقال حرارت کاهش می یابد. عبارت کار لزج بعنوان آخرین پارامتری است که در این پروژه اثر آن بررسی شده است. این عبارت در معادله انرژی حاکم بر سیال وجود دارد و تاثیر آن در جریانات با سرعت بالا قابل ملاحظه است. بررسیهای انجام شده در این پروژه نشان میدهد که هرچه شدت اغتشاش ورودی جریان بیشتر باشد، اثر عبارت کار لزج نیز بیشتر است. از نکاتی که در این پروژه به آن توجه شده است بررسی اهمیت هر کدام از پارامترهای بررسی شده در مقایسه با یکدیگر است. بدین معنی که کدام پارامترهای عمده جریان بهنگام مدلسازی جریان بر روی پره های توربین گاز از اهمیت بیشتری برخوردارند. تعیین مدل مغشوش مناسب کلیدی ترین پارامتر در تحلیل جریان مغشوش توربینهای گازی است و پس از آن شدت اغتشاش ورودی نقش تعیین کننده ای در مدلسازی دارد. شبکه عددی و در نظر گرفتن عبارت کار لزج بترتیب از اهمیت پایینتری برخوردارند. مطلب دیگری که در مقالات علمی کمتر به آن توجه میشود مدلهای مختلف تنش رینولدز rsm است که در این پروژه مقایسه ای بین این مدلها انجام شده است. تفاوت عمده این مدلها بر اساس استفاده از معادله ? یا ? میباشد که نتایج مدل مبتنی بر معادله ? در مقایسه با سایر مدلها بهتر است. اما نتایج این مدل تا حد زیادی به نتایج مدل sst نزدیک است ولی از آنجا که همگرایی در این مدلها سخت تر و زمانبرتر است لذا استفاده از آن بجای مدل دو معادله ای sst توصیه نمیشود.

در این پروژه هدف بررسی و شبیه سازی جریان هوا با اعداد رینولدز پائین ( re < 1) در یک حفره است که با شعاع متغییر (r(t تعریف میشود. حفره در طول پریود زمانی t به صورت سینوسی منقبض و منبسط شده و هوا از یک دهانه با زاویه ? به حفره وارد و از آن خارج میشود. زاویه ? در کل دورهً انقباض و انبساط ثابت فرض میباشد. در حقیقت هدف، بررسی شرایط مرزی متحرک دیوارهً حفره بر روی الگوی جریان به وجود آمده درون آن میشود. با توجه به پائین بودن عدد رینولدز و پریودیک بودن جریان برای مدل کردن مسئله از روش شبکه بولتزمن استفاده شده است. حل این مسئله به فهم بهتر الگوی جریان هوا و شبیه سازی آن درون کیسه هوائی ریه کمک خواهد کرد .کیسه های هوائی عمل تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن را با مویرگهای خونی (که سطح خارجی کیسه های هوائی را در بر گرفته اند) انجام میدهند. عمل انبساط کیسه های هوائی باعث ورود اکسیژن از محیط خارج به درون ریه و در نهایت به کیسه های هوائی شده و عمل انقباض کیسه های هوائی نیز باعث خروج دی اکسید کربن از کیسه های هوائی به درون ریه و در نهایت به محیط اطراف میشود. این عمل انقباض و انبساط به خاطر اختلاف فشار بین کیسه های هوائی و محیط اطراف به وجود می آید که ماهیچه های پردهً دیافراگم این اختلاف فشار را به وجود می آورند. با توجه به موارد بیان شده، در این پروژه سعی شده تا در ابتدا پارامترها و شرایط حل مسئله به همراه عملکرد مختصری از کیسه های هوائی ارائه شده و در مرحله بعد با معرفی شبکه بولتزمن و روشهای حل موجود برای آن، حل مسئله بیان شده مورد برسی قرار گرفته شود. در پایان نیز بر روی نتایج بدست آمده بحث شده و این نتایج با نتایج بدست آمده قبلی که همگی مبتنی بر حل مستقیم معادلات ناویر استوکس بوده اند مورد مقا یسه قرار گرفته است. ابعاد و اندازه های به کار برده شده برای این شبیه سازی بر پایه آخرین اندازه گیری های انجام شده از مجرا و کیسه هوائی دستگاه تنفسی یک انسان بالغ و در شرایط عادی تنفسی است. به طور خلاصه شبیه سازی در حالت دیواره صلب نشان میدهد که جابه جائی درون مجرا تنش برشی را در دهانه کیسه هوائی بوجود می آورد که باعث به وجود آمدن یک ناحیه چرخشی، که کل کیسه هوائی را در بر می گیرد، می شود. برای حالت دیواره متحرک همانند حالت دیواره صلب یک ناحیه چرخشی درون کیسه هوائی بوجود می آید؛ اضافه بر اینکه در این حالت می توان اینطور نتیجه گیری کرد که الگوی جریان در بازدم دقیقاً مانند الگوی جریان در حالت دم است اما جهت جریان در جهت مخالف است. در حالت دیواره متحرک؛ برای مدلهای هندسی که در این پروژه مورد بررسی قرار گرفت مشخص شد که در کل دو نوع پدیده غالب جریان در کیسه های هوائی وجود دارد: جریان چرخشی و جریان شعاعی. برای کیسه های هوائی در انشعابات ابتدائی (نسلهای اول کیسه های هوائی) به خاطر اختلاف زیاد بین سرعت درون کیسه های هوائی ومجرای اصلی عبور هوا پدیده غالب، جریان چرخشی است. در عین حال برای نسل های آخر کیسه های هوائی پدیده غالب درون آنها جریان شعاعی است.

در بسیاری از مسائل فیزیکی و مهندسی نیازمند حل معادلات دیفرانسیل اغلب پیچیده روی فضای فیزیکی خواهیم بود. از جمله این مسائل می توان به انواع شبیه سازی ها و دینامیک سیالات محاسباتی اشاره کرد. این مسائل در حیطه های علمی و صنعتی بسیار مطرح-اند. برای حل این معادلات نیاز به استفاده از روشهای عددی داریم. می توان مشکل پیچیدگی معادلات دیفرانسیل را با استفاده از ایجاد شبکه روی فضای فیزیکی حل کرد. اما اینجا مسئله دیگری که بوجود می آید این است، که ایجاد شبکه روی یک فضای فیزیکی کاری نسبتا مشکل به حساب می آید. از آنجا که معمولا در مسائل مختلف صنعتی این فضا ها بصورت اشکال هندسی تحلیلی رایج مانند خط ، دایره و بیضی و یا سطوح کره و استوانه و اشکال دیگر از این دست نیست و جزء هندسه های بدون شکل به حساب می آیند، در نتیجه پیچیدگی ایجاد شبکه روی آنها بسیار بیشتر خواهد بود. در این پایان نامه برای رفع این مشکل ابتدا با بررسی برخی مدل کننده های هندسه ، به بررسی جدید ترین و کاربردی ترین نوع آنها یعنی نربز می پردازیم. این مدل کننده بسیار انعطاف پذیر و توانا است که در سیستم های تجاری cad و cam به عنوان یک استاندارد مورد استفاده قرار می گیرد. ما با استفاده از تکنیک نربز روشهای نمایش منحنی ، سطح و حجم را مورد بررسی قرار می دهیم و سپس توسط آنها الگوریتم هایی را برای ایجاد منحنی ، سطح و حجم نربز استخراج می کنیم. سپس به بررسی توزیع نقطه بصورت مطلوب و دلخواه روی منحنی نربز که در واقع مرزهای سطح نربز را تشکیل می دهد می پردازیم. در این قسمت نیز الگوریتم هایی را به دست می آوریم. توسط این الگوریتم ها می توان مرزهای یک سطح نربز را برای تولید شبکه نقطه گذاری کرد. سپس با استفاده از برخی روشهای جبری به تولید شبکه اولیه روی سطح نربز با استفاده از نقاط مرزی بدست آمده می پردازیم. در این قسمت نیز الگوریتم های مختلفی را ارائه کردیم. در آخر به بررسی روش معادلات دیفرانسیل پاره ای برای تولید شبکه می پردازیم. در تولید شبکه بروش بیضوی برای کنترل توزیع نقاط داخلی به توابع کنترلی نیاز است که برای چند حالت مانند عمود سازی ، هموار سازی و ایجاد تراکم بدست آورده شده است. بدین منظور نیز چندین الگوریتم نوشته شده است. با استفاده از کلیه الگوریتم هایی که بر طبق این فصول گفته شده است و الگوریتم هایی نیز که ارجاع به برخی مراجع داده شده است، مجموعه کدی در متلب نوشته شده است که می تواند بسیاری از منحنی ها و سطوح و حجمها را مدل کرده و روی سطوح مدل شده نیز ایجاد شبکه کند.

هدف عمده از حل مسائل احتراقی، یافتن میدان دما و کسر جرمی گونه ها (اعم از گونه های اولیه، میانی یا نهایی) است. در شعله های دیفیوژن آرام ،برای تخمین دقیق میدان دما و کسر جرمی گونه ها، کمیتی تحت عنوان کسر مخلوط معرفی می شود. درحالی که در شعله های دیفیوژن مغشوش، علاوه بر کسر مخلوط (متوسط کسر مخلوط)، نوسانات کسر مخلوط نیز نقش برجسته ای ایفا می کند. به همین دلیل پیش بینی دقیق مقادیر دما و کسر جرمی گونه ها در شعله های مغشوش، منوط به استفاده از مدل ها و معادلات بسیار دقیقی برای تعیین کسر مخلوط متوسط و نوسانات کسر مخلوط است. در شعله های دیفیوژن مغشوش، متغیرهای اصلی جریان مانند سرعت، دما و کسر جرمی گونه ها مانند کمیت های تصادفی عمل می کنند. در بررسی این کمیت ها، استفاده از تکنیک های متوسط گیری از جمله متوسط گیری فاوره بسیار حائز اهمیت است. در رژیم های مغشوش، دما و کسر جرمی گونه ها تابعی از کسر مخلوط متوسط و نوسانات کسر مخلوط می باشند. معادله حاکم بر نوسانات کسر مخلوط شامل جملاتی برای تولید و استهلاک نوسانات کسر مخلوط می باشد. جمله مربوط به استهلاک نوسانات کسر مخلوط در این معادله نیاز به استفاده از یک عبارت مناسب جهت مدل سازی دارد. هرچه این جمله دقیق تر مدل سازی شود، مقادیر محاسبه شده برای نوسانات کسر مخلوط صحیح تر خواهند بود. تلاش های زیادی در زمینه یافتن مقدار صحیح این کمیت صورت گرفته است. این تلاش ها در دو شکل عمده انجام شده است. یکی در زمینه استخراج معادله انتقال جداگانه ای برای نرخ استهلاک اسکالر و حل آن و دیگری استفاده از مدلی مناسب برای جایگزینی نرخ استهلاک اسکالر در معادله نوسانات کسر مخلوط. در زمینه معادله انتقال چندین معادله با ضرایب مختلف استخراج و حل شده است اما حل این معادلات به دلیل پیچیدگی و نیز زمان بر بودن آن مناسب به نظر نمی رسد. برای مدل سازی نرخ استهلاک اسکالر، تا کنون دو مدل ارائه شده است این دو مدل عبارتند از مدل مقیاس های معادل که از مساوی قرار دادن مقیاس زمانی و طولی اسکالر با مقیاس های زمانی و طولی میدان جریان سیال به دست می آید و نیز مدل مقیاس های غیر معادل که در آن، این مقیاس ها لزوماً دیگر با هم مساوی نیستند. در این پایان نامه این دو مدل با در نظر گرفتن ضرایب مختلف در آن ها برای حل سه شعله مختلف به کار گرفته شده است. در کنار این کار،در این پایان نامه برای اولین بار مدل جدیدی برای شبیه سازی نرخ استهلاک نوسانات کسر مخلوط و با استفاده ازمعادله انتقال حاکم بر این کمیت استخراج شد.در این روش فرض شده است که جملات مربوط به جابجایی و پخش در معادله انتقال حاکم بر نرخ استهلاک اسکالر با هم معادل هستند. این مدل در مقایسه با مدل های پیشین پارامترهای بیشتری را در فرمول بندی خود دارد. نتایج حاصل از اجرای کد کامپیوتری موجود به زبان فرترن نشان می دهد که توانایی این مدل در پیش بینی نوسانات کسر مخلوط در بسیاری از موارد از مدل های قبلی بهتر است.

انتقال ذرات در جریان آرام و آشفته کاربردهای بسیاری در سیستم های احتراقی، بیولوژیک، زیست محیطی، فناوری نانو دارد. در سیستم احتراقی ذغالی و خطوط جداسازی ذرات فرار از ذغال سنگ، فرسایش مواد به وسیله برخورد ذرات جامد یک مسئله اساسی است. به همین خاطرفهم پایه از پدیده برخورد و رسوب گذاری(جداسازی ذرات جامد از جریان گاز) درطراحی وسایل مهندسی نقش مهمی دارد. برای جداسازی ذرات جامد که در واکنش های احتراقی در رایزرها و بسترهای واکنشی(داونرها) نیاز به دستگاه جداکننده ذرات با زمان اقامت کمتر از یک ثانیه می باشد. نتایج تجربی نشان داده که مدل cbqsd مزیت های زیادی از جمله راندمان جداسازی بالا، افت فشار پایین، و به ویژ ساختار متقارن و متراکم دارد. در این تحقیق یک دستگاه جداکننده جریان جامد – گاز که به دستگاه سریع جداکننده بافل ترکیبی(مدل cbqsd) نامیده می شود، با استفاده از نرم افزار فلوئنت حل عددی شده است. نرم افزار فلوئنت یکی از نرم افزارهای صنعتی مهم برای شبیه سازی جریان سیال است. این نرم افزار قابلیت شبیه سازی جریانهای دو و سه بعدی را دارا است. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است .در این تحقیق مدل های توربولانسی rng k-?، k-?و rsmوهمچنین مدل لاگرانژین برای رهگیری ذرات مورد استفاده قرار خواهد گرفت. برای حل جریان ذرات کوپلینگ فازی دو راهه مورد بررسی قرار گرفت. پس از به دست آوردن نتایج عددی و تطبیق با نتایج تجربی، تغییرات پارامترها از جمله عدد رینولدز ورودی و هندسه دستگاه مورد بررسی قرار گرفت و شرایطی که بیشترین جداسازی ذرات را ایجاد می کند، مشخص می شود. نتایج عددی نشان می دهدکه مدل توربولانسی rng مدل مناسبی نیست. چرا که سرعت متوسط ذرات را بیشتر از مقادیر واقعی نشان می دهد. این مدل نتوانست جریان های گردابه ای و همچنین جدایش جریان را که در اثر وجود بافل های جداکننده و راهنما در داخل محفظه است، به خوبی نشان دهد. مدل توربولانسی k-? نتایج بهتری را نشان می دهد و این مدل سرعت ذرات را با دقت بیشتری نشان می دهد و همچنین جریان نزدیک دیواره ها را بهتر مدل می کند اگر چه که این مدل نیز نتوانست توزیع ذرات بر روی بافل ها را به خوبی نشان دهد. در ادامه با استفاده از مدل توربولانسی پنج معادله ای تنش های رینولدز(rsm) نتایج بهتری به دست آمد این مدل سرعت و همچنین توزیع ذرات و پخش توربولانسی ذرات را به خوبی نشان داد و نتایج تطبیق بسیار خوبی با نتایج تجربی دارد. می توان گفت که مدل توربولانسی تنشهای رینولدز مدل مناسب برای بررسی این دستگاه دانست. در ادامه به بررسی تغییرات پارامترهای مهم مسئله پرداختیم. سرعت ورودی و عرض دستگاه( فاصله بین بافل راهنما و جداکننده) و همچنین دبی ذرات جامد ورودی به محفظه سه پارامتر اصلی برای جداسازی ذرات جامد از جریان گاز هستند. نتایج نشان می دهد که با افزایش سرعت ورودی راندمان جداسازی ذرات به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. البته نکته قابل توجه این است که افزایش سرعت جریان جامد- گاز مسلزم امکانات و هزینه می باشد و سرعت های بالا در صنعت مورد توجه قرار نمی گیرند. این به دلیل افزایش نیروی اینرسی ذرات و غلبه بر نیروی درگ وارد از طرف سیال می باشد. با کاهش قطر ذرات راندمان جداسازی کاهش می یابد. زیرا ذرات فرصت لازم برای از جدا شدن از جریان را نداشته و توسط جریان سیال از محفظه خارج شدند. با افزایش قطر ذرات راندمان اندکی بهتر می شود اما با افزایش بیشتر قطر راندمان کاهش می یابد که به دلیل به وجود آمدن یک جریان برگشتی قوی در ناحیه زیر بافل های جداکننده تعدادی از ذرات جدا شده به جریان بر می گردند. با افزایش دبی ذرات جامد به دستگاه نتایج نشان می دهد که راندمان جداسازی 100درصد به سمت قطرهای کوچکتر می رود. راندمان کلی دستگاه همچنان بالای 90 درصد است و تغییر محسوسی ندارد کلمات کلیدی: جریان جامد-گاز، مدل ذرات گسسته، مدل توربولانسی، لاگرانژین

حرکت سوسپانسیون قطرات از میان کانالها و لوله ها، موضوع مطالعه بسیاری از محققان بوده است. در این رساله، مطالعه سه بعدی سوسپانسیون قطرات در جریان برشی ساده و در اعداد رینولدز محدود انجام شده است. حل کامل معادلات ناویر - استوکس، که دربرگیرنده کشش سطحی است، با استفاده از روش ردیابی قطرات / اختلاف محدود در یک دامنه پریودیک صورت گرفته است. این روش بر مبنای نوشتن یک دسته معادله بقا برای کل دامنه حل است، به گونه ای که هر فاز به صورت یک سیال با خواص مادی متغیر رفتار می کند. روش توصیف شده و به کار رفته در این رساله، ترکیبی از تکنیک های تسخیر و ردیابی قطره است. یک شبکه ساکن منظم برای جریان سیال استفاده می شود اما سطح مشترک با استفاده از یک شبکه مجزا با بعد پایین تر ردیابی می شود. مهاجرت عرضی یک قطره منفرد، برخورد دو قطره هم اندازه و حرکت سوسپانسیون متشکل از تعداد زیاد قطرات در جریان برشی ساده مورد مطالعه قرار گرفته و تأثیر پارامترهای بدون بعد نظیر عدد رینولدز، عدد کاپیلاری، نسبت چسبندگی، نسبت چگالی و کسر حجمی بررسی شده است. اگر نسبت چگالی قطره به سیال بیرونی برابر یک باشد، از یک کد fishpack، که یک حل کننده سریع پواسون است، برای حل معادله فشار استفاده شده و در حالتی که نسبت چگالی مخالف یک باشد، از یک کد mudpack استفاده شده است. برای شبیه سازی سوسپانسیون متشکل از تعداد زیاد قطرات، از نسخه پردازش موازی کد استفاده شده است. به منظور تحلیل رفتار سوسپانسیون از تنسور تنش موثر استفاده و جهت مطالعه جریان دوفازی در اعداد رینولدز محدود، جملات تنش رینولدز به تنسور تنش موثر افزوده شده است.

روش شبکه بولتزمن از روش های زیر مجموعه دینامیک سیالات محاسباتی است. تحلیل هایی که با این روش انجام می گیرد برای کاربردهایی نظیر شبیه سازی جریان در محیط متخلخل در ابعاد بسیار ریز بسیار موفق بوده و نیز قادر به شبیه سازی جریان های پیچیده نظیر جریان مغشوش، جریان های با ترکیب چند سیال مخلوط شدنی یا مخلوط نشدنی ویا جریان های با سطح آزاد است. در این روش سیال به شکل بسته هایی مدل می شود که در یک شبکه ی گسسته و تحت گام های زمانی گسسته انتشار می یابند و با یکدیگر در نقاط شبکه برخورد می کنند. از آنجایی که برخوردها تنها به گره های محلی محدود می شود بنابراین محاسبات مربوط به برخوردها فقط به اطلاعات از گره های مجاور بستگی دارد. این ویژگیِ محلی بودن اطلاعات ورودی، روش شبکه بولتزمن را به یک کاندید منحصر به فرد جهت محاسبات موازی تبدیل می کند. اخیرا استفاده از روش پردازش گرافیکی برای محاسبات موازی در روش شبکه بولتزمن رواج زیادی یافته و کارهای انجام شده افزایش خیره کننده در سرعت محاسبات نسبت به استفاده از پردازشگرهای مرکزی پیشرفته را نشان می دهد. این میزان افزایش سرعت، مستقیما بستگی به مهارت برنامه نویس در موازی سازی محاسبات و بهره گیری از حداکثر توانایی سخت افزار دارد. یکی از حوزه های مورد توجه در کاربردهای روش شبکه ی بولتزمن، استفاده از آن برای شبیه سازی جریان مخلوط چند گاز در بستری ذرات فشرده است. بسترهای فشرده، که استوانه های محتوی دانه های جامد (عمدتا کروی) هستند، جایگاه مهمی در صنایع مختلف دارند. از این استوانه ها در عملیات کارماتوگرافی، در میله های سوختی، در فیلترها و نیز به عنوان جایگاهی برای مواد شیمیایی، کاتالیزورها و یا ذرات سوخت در سیستم های با پیشرانش جامد استفاده می شود. در تحقیقی که اخیرا توسط رستگاری و اشرفی زاده (2009) انجام گرفته است ، از روش شبکه ی بولتزمن جهت شبیه سازی جریان در بستر ذرات فشرده استفاده شده است. گرچه شبیه سازی های انجام شده در تحقیق یاد شده موید توانایی بالای روش شبکه بولتزمن برای این گونه مسایل است، اما هزینه ی محاسباتی نسبتا بالای روش همچنان مانع مهمی در توسعه ی شبیه سازی ها به ابعاد و بسترهای واقعی و افزایش دقت شرایط مرزی می باشد. در این تحقیق به منظور افزایش سرعت محاسبات، شبیه سازی جریان مخلوط دو گاز اکسیژن و نیتروژن در بستر ذرات فشرده پیاده سازی گردیده است. پیاده سازی های انجام شده روی انواع مختلف پردازشگرهای گرافیکی، از کارت های گرافیکی ارزان قیمت گرفته تا پردازشگرهای گرافیکی پیشرفته، افزایش چند ده تا چند صد برابری کارایی محاسباتی را نشان می دهد. با کاهش چشمگیر هزینه ی کلی محاسبات، اعمال دقیقتر شرایط مرزی و توسعه ی مساله به ابعاد صنعتی مقرون به صرفه گشته که نتایج آن در این تحقیق ارائه شده است.

چکیده هدف این پژوهش، شبیه سازی عددی و تحلیلی پدیده های جریان و انتقال حرارت در مقیاس میکرو می باشد. بدین منظور،محتوای این پژوهش به دو بخش کلّی تقسیم بندی شده است. در بخش اول که مربوط به فرآیند شبیه سازی عددی است، از روش شبکه ی بولتزمن استاندارد، به عنوان حل کننده ی عددی معادله ی بولتزمن، برای مدل سازی جریان و انتقال حرارت سیال در مقیاس میکرو و در رژیم های مختلف، شامل رژیم های جریانی پیوسته، لغزشی و گذار استفاده شده است. از آنجا که مدل های رایج روش شبکه ی بولتزمن استاندارد توانایی شبیه سازی درست کمیتهای جریان درون لایه ی نودسن را ندارند، در پژوهش کنونی از ترفند تابع دیواره برای بهبود کارایی روش شبکه ی بولتزمن در رویارویی با این لایه ی مرزی سینتیک بهره گرفته شده است. شبیه سازی های صورت پذیرفته بیانگر این مطلب است که با بکارگیری ترفند یاد شده در روش شبکه ی بولتزمن، کارایی این روش در شبیه سازی پدیده های انتقال در ابتدای رژیم جریانی گذاربه طور چشمگیری افزایش می یابد؛ بدون اینکه هزینه ی محاسباتی اضافی قابل توجهی به فرآیند حل وارد آید. در بخش دوم که شامل بیان فرآیند حل تحلیلی صورت گرفته و نتیجه های بدست آمده می باشد، پدیده های جریان، انتقال حرارت و تولید انتروپی برای جریان رقیق گاز حبس شده بین دو سیلندر هم محور چرخان، یعنی جریان کوئت استوانه ای، در محدوده ی رژیم لغزشی، بررسی شده است. در این راستا، معادله های تراکم ناپذیر ناویر - استوکس - فوریه در دستگاه مختصات استوانه ای با در نظر گرفتن اثرهای لغزش سرعت و پرش دما و جمله ی تلفات لزجی، به صورت تحلیلی حل گردیده است. با استفاده از دو نوع مختلف شرط گرمایی، یعنی شرط های دمای ثابت سطح و شار حرارتی یکنواخت روی دیواره، سه نوع مساله ی گرمایی طرح شده و پس از آن به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، اثر پارامترهایی همچون عدد نودسن، عدد برینکمن، پارامتر خمیدگی و همچنین سبک چرخش بر مشخّصه های جریان، انتقال حرارت و تولید انتروپی، شامل متغیرهای سرعت، دما،عدد نوسلت، شار حرارتی روی دیواره ها، تولید انتروپی ناشی از اصطکاک سیال و انتقال حرارت، نرخ متوسط تولید انتروپی و عدد بی بعد بجان، به دقّت مورد کنکاش قرار گرفته و دستاوردهای مربوطه ارائه گردیده است. گفتنی است که حل تحلیلی ارائه شده، معیار مقایسه ی بسیار مناسبی را برای ارزیابی میزان درستی دستاوردهای حاصل از روش های عددی مختلف، در تمامی ناحیه ی رژیم لغزشی، فراهم می آورد.

توربین های گاز در صنایع مختلف کاربرد های بسیاری دارند. افزایش دمای ورودی در توربین های گازی باعث افزایش راندمان آنها خواهد شد. با توجه به محدودیت دمایی آلیاژهای مورد استفاده در ساخت توربین های گازی، به راه حلی برای کاهش دمای اجزای توربین به خصوص پره های توربین نیاز است. خنک کاری پره های توربین به صورت داخلی و خارجی انجام می شود. در خنک کاری داخلی با عبور سیال سرد از درون پره ها دمای آنها کاهش می یابد. در خنک کاری خارجی سیال خنک با ایجاد یک لایه محافظ، از برخورد مستقیم جریان داغ با بدنه پره ها جلوگیری می کند. با توجه به مشکلات و هزینه های بالا در انجام کارهای تجربی، تحقیقات عددی بسیاری در این زمینه صورت گرفته است. در این شبیه سازی عددی، مدل هندسی و شبکه محاسباتی به کمک نرم افزار گمبیت ایجاد شده است. ضریب انتقال حرارت در نوک پره بیشترین مقدار خود را داراست، به همین دلیل در تحقیق حاضر و اکثر کارهای مشابه سوراخ های خنک کاری در لبه پره واقع شده است. از نرم افزار فلوئنت نیز برای حل معادلات حاکم و تحلیل جریان استفاده شده است. با توجه به مغشوش بودن جریان در توربوماشین ها استفاده از معادلات اغتشاشی مناسب برای مدل کردن اغتشاشات جریان یکی از مسائل مهم در تحلیل حرارتی جریان های موجود در توربین ها است. در پژوهش حاضر نیز برای یافتن مدل اغتشاشی مناسب ابتدا از چندین مدل اغتشاشی برای حل مساله استفاده شد. مدل های اغتشاشی مورد بررسی مدل های دو معادله ای k-?، k-? و. مدل چهار معادله ای v2f است. صحت نتایج بدست آمده از طریق مقادیر گزارش شده در کارهای تجربی تأیید شده است. بهترین پیش-بینی ها توسط مدل های k-?-sst و v2f انجام شده که به دلیل هزینه محاسباتی بالا از مدل اغتشاشی v2f استفاده نشده است. به دلیل اینکه در مدل اغتشاشی k-?-sst ازتابع دیواره استفاده نشده، نیاز به شبکه محاسباتی مناسب در کنار مرز پره باعث افزایش حجم شبکه محاسباتی شده است. پیش بینی های انجام شده در سمت فشاری انطباق بسیار خوبی با نتایج تجربی دارد اما در سطح مکشی به دلیل ناپایداری های ایجاد شده در جریان نتایج بدست آمده با نتایج تجربی انطباق خوبی ندارد. در اکثر کارهای تجربی و عددی انجام شده در این زمینه پره های توربین به صورت ثابت و بدون حرکت مورد بررسی قرار گرفته اند در حالیکه در شرایط واقعی پره-های توربین با سرعت بالا در حال دوران هستند. در پژوهش حاضر ابتدا با استفاده از مقادیر آزمایشگاهی گزارش شده برای شرایط مرزی، به بررسی حرارتی جریان اطراف پره های توربین در حالت وجود و عدم وجود خنک کاری لایه ای پرداخته شده، سپس با تغییر پارامترهای موثر در خنک کاری به بررسی چگونگی تغییر ضریب انتقال حرارت پرداخته شده است. بعد از بررسی پره در حالت ساکن به بررسی اثر دوران بر خنک کاری لایه در حالت متحرک پرداخته شده است. دما و دبی سیال خنک از پارامترهای مهم در خنک کاری لایه ای پره های توربین است. در حالت ساکن نشان داده شده که با تغییر دمای سیال خنک تغییر چندانی در ضریب انتقال حرارت بر روی بدنه پره ایجاد نشده است. با کاهش دمای سیال خنک فقط در نواحی کوچکی از ناحیه فشاری پره کاهش اندکی در ضریب انتقال حرارت ایجاد شده است. افزایش دبی سیال خنک در حالت ساکن تا 1 درصد جریان گرم اصلی در کاهش ضریب انتقال حرارت مفید بوده درحالیکه با افزایش بیشتر دبی سیال خنک ضریب انتقال حرارت در قسمت هایی از بدنه پره افزایش می یابد. در حالت متحرک با سرعت دوران کم و متوسط افزایش دبی سیال خنک تا 5/1 درصد باعث کاهش ضریب انتقال حرارت خواهد شد، در حالیکه در سرعت های دوران بالا، با افزایش دبی سیال خنک تا 1 درصد جریان گرم اصلی، ضریب انتقال حرارت کاهش خواهد یافت و با افزایش 5/1 درصدی سیال خنک در قسمت هایی از بدنه پره ضریب انتقال حرارت در اثر افزایش اغتشاشات افزایش خواهد یافت.

مدل سازی بسترهای متخلخل به منظور مطالعه و پیش بینی فرآیندهای صنعتی در رشته های مختلف نظیر مکانیک سنگ، شیمی، مهندسی پلیمر و عمران از اهمیت بسیار زیادی برخوردار می باشد. روش المان های گسسته با نام اختصاری dem، که یکی از مهم ترین اعضای خانواده ی روش های عددی، که به منظور بررسی رفتار دینامیکی تعداد زیادی از ذرات در ابعاد مختلف به کار گرفته می شود، از جمله روش هایی می باشد که برای تولید بسترهای متخلخل از آن استفاده می شود. در کار حاضر با استفاده از این الگوریتم و تکنیک پردازش موازی بر روی کارت گرافیکی به بررسی ضرایب و نیروهای مناسب، جهت یک چیدمان تصادفی برای ذرات کروی با اندازه متفاوت و تعداد زیاد (بیش از یک میلیون ذره) پرداخته شده است. سپس برای صحت سنجی، درصد تراکم و تخلخل، عدد تماس و تعداد ذرات آزاد برای این چیدمان در ظرف مکعبی و استوانه ای گزارش شده است. در این الگوریتم از تکنیک های تولید لایه ای بستر فشرده به منظور افزایش سرعت حل عددی و گام های زمانی چندگانه به منظور تضمین پایداری الگوریتم در مراحل آغازین و افزایش سرعت اجرای برنامه در مراحل پایانی چینش استفاده شده است. هم چنین پیاده سازی الگوریتم مذکور بر روی پردازنده گرافیکی gpu و بهینه سازی الگوی ذخیره سازی اطلاعات در حافظه برای لیست همسایگی و نحوه انتقال اطلاعات از پردازنده مرکزی به پردازنده گرافیکی باعث افزایش سرعت در حدود 50 برابر نسبت به پردازنده مرکزی cpu شده است. در انتها برای نشان دادن توانایی الگوریتم فوق دو مسئله شکست سد و جریان در استوانه گردان با نمایش زمان واقعیِ حل عددی شبیه سازی شده است.

در این پایان نامه ترکیب دو روش چند شبکه ای و روش شبکه بولتزمن برای شبیه سازی جریان سیال و به طور خاص در شبیه سازی جریان سیال در جعبه با در متحرک و استفاده از پردازش موازی برای کاهش زمان اجرا بررسی شده است. این پایان نامه ضمن ارائه معرفی مفصلی راجع به روش چند شبکه ای و توضیح مختصری راجع به شبکه بولتزمن، برخی از مدل های چند شبکه ای ارائه شده را معرفی می نماید. در این بین، بحث روی مدل غیرخطی چندشبکه ای بیشتر مورد توجه بوده ومعادلات حاکم برای این روش مطابق با روش شبکه بولتزمن استخراج شده است. همچنین الگوریتم شروع حل برای این دسته از روش ها، بیان شده است. در شبیه سازی هایی که به کمک روش شبکه بولتزمن صورت گرفته، ابتدا جریان در جعبه با در متحرک، با شرایط مرزی مطابق با آن به عنوان مساله نمونه مد نظر گرفته شده و نتایج حل عددی ارائه شده است در ادامه مسئله جریان از روی پله حل شده و نتایج آن آمده است. در ادامه استخراج معادلات روش چندشبکه ای غیر خطی و بسط آن به معادلات شبکه بولتزمن شرح داده شده و نتایج حل عددی حاصل از این شبیه سازی ترکیبی، با استفاده از الگوریتم پردازش موازی ارائه شده است. همچنین اثر پارامتر های مختلف بر دقت و سرعت حل عددی و مقایسه این نتایج ، از دیگر مطالب ارائه شده در این پایان نامه می باشد. دقت بالا و افزایش سرعت تا 150 برابر برای ترکیب دو روش چند شبکه ای و شبکه بولتزمن و بهره گیری از پردازش موازی از مهمترین نتایج این کار است. لازم به ذکر است که کاربرد توأمان روش چند شبکه ای در کنار استفاده از روش شبکه بولتزمن و حل جریان بصورت صریح و افزایش سرعت به کمک پردازش موازی نوآوری های این پایان نامه به حساب می آید.

به دلیل محدود بودن منابع تامین سوخت فسیلی و نیز مشکلاتی از قبیل آلایندگی محیط زیست، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در چند سال اخیر گسترش روزافزونی یافته است. در این بین پیل سوختی پلیمری به عنوان یک منبع تامین انرژی نسبتا ارزان و پاک در کاربردهای حمل و نقل مورد توجه محققین زیادی قرار گرفته است. یک پیل سوختی پلیمری از اجزای متفاوتی تشکیل شده که یکی از اجزای مهم آن، صفحات دوقطبی می باشد و عمدتا از صفحات شیاردار گرافیتی ساخته می شوند. این صفحات، ترد وشکننده بوده و معمولا حدود 80 درصد از وزن کل و 45 درصد از هزینه تمام شده پیل را به خود اختصاص می دهند که لزوم بهینه سازی طراحی و مواد به کاررفته در این جزء را نشان می دهد. از اینرو در سال های اخیر مواد متخلخل فلزی موسوم به فوم فلزی به عنوان جایگزین مناسبی برای این صفحات پیشنهاد شده است. بر این اساس اهداف اصلی پژوهش حاضر عبارتند از: (1) توسعه طراحی ماده متخلخل فلزی با استفاده از شبیه سازی عددی، (2) انتخاب فرایند ساخت و مشخصه یابی آن به منظور جایگزینی صفحات دوقطبی مرسوم در پیل های سوختی پلیمری. در این تحقیق بررسی دو پارامتر درصد تخلخل و اندازه حفرات بر روی پارامتر نفوذپذیری به عنوان مهم ترین خاصیت مواد متخلخل در قابلیت عبور جریان سیال مدنظر قرار گرفت. لذا در قدم اول اثر پارامترهای مذکور بر نفوذپذیری محیط متخلخل بازسازی شده سه بعدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی به کمک روش شبکه بلتزمن به ترتیب نشان از رابطه اکسپونانسیلی پارامتر نفوذپذیری با درصد تخلخل و نیز رابطه توانی آن با اندازه حفرات دارد. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازی می تواند به خوبی رابطه تغییرات گرادیان فشاری را بر حسب سرعت ظاهری جریان سیال در هر محیط متخلخل پیش بینی کند. در قدم بعدی با انتخاب فرایند سینترینگ توام با حذف کربنات (lcs) و بهینه سازی برخی پارامترهای آن، ماده متخلخل از جنس مس برای کاربرد موردنظر تولید گردید. نتایج حاصل از آنالیز فازی و نیز بررسی های ریزساختاری فوم تولیدی، نشان از قابلیت بالای فرایند lcs در تولید ماده متخلخل با خواصی از قبیل درصد تخلخل و اندازه حفرات پیش بینی شده در طراحی را دارد. در ادامه خواص مکانیکی فوم تولیدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج نشان از افزایش استحکام خمشی نمونه متخلخل با افزایش چگالی نسبی و نیز کاهش اندازه حفرات دارد. همچنین مطالعه خواص نفوذپذیری، حاکی از نفوذپذیری مناسب، کمتر از m28-10، مواد متخلخل تولیدی به روش lcs جهت کاربرد در پیل سوختی پلیمری می باشد. بر این اساس نمونه فومی با درصد تخلخل حدود 60 درصد و اندازه حفرات حدود 400 میکرون معادل ppi65 به عنوان ماده مناسب جهت جایگزینی صفحات دوقطبی مرسوم در نظر گرفته شد.

امروزه وسایل هوایی بدون سرنشین به دلیل کاربردها و قابلیتهایشان به نحو چشمگیری مورد استفاده قرار گرفته اند. کوداروتور بدون سرنشین، یک نمونه بالگرد است که مکانیزم پروازی آن از چرخش چهار موتور و پروانه که در چهار طرف قاب اصلی آن قرار دارند، حاصل می شود. در این وسیله زاویه حمله پروانه ها تغییر نکرده و تغییر نیروی بالابر صرفاً با تغییر سرعت گردش روتورها انجام می گیرد. همچنین راستای چرخش هر چهار روتور ثابت و عمود بر قاب اصلی می باشد. به منظور خنثی شدن گشتاور اصطکاکی و کاهش اثرات زیروسکوپی، جهت گردش دو روتور از این وسیله نسبت به دو روتور دیگر در جهت عکس می باشد. در این تحقیق ضمن استخراج معادلات دینامیکی پرنده، به کنترل و طراحی مسیر حرکت برای آن پرداخته شده است. هدف نهایی در کنترل این وسیله کنترل سرعت خطی آن می باشد. با توجه به اینکه در طراحی این پرنده ساختار دینامیکی به گونه ای در نظرگرفته شده است که زوایای چرخشی در آن به صورت وابسته به نرخ تغییرات سرعت خطی پرنده تعیین می شوند، مکانیزم کنترلی در نظر گرفته شده برای این وسیله یک مکانیزم دو حلقه ای می باشد. در حلقه خارجی این مکانیزم از کنترل کننده تناسبی- انتگرال گیر و در حلقه داخلی آن جهت کنترل وضعیت چرخشی پرنده، از کنترل کننده های فازی pdc و لغزشی استفاده شده است. در طراحی کنترل کننده pdc، با بیان معادلات دینامیکی غیرخطی وضعیت چرخشی سیستم به صورت ترکیبی از سیستمهای خطی، در ابتدا یک مدل فازی از سیستم ارائه شده و پس از آن با طراحی کنترل کننده برای هر یک از زیر سیستمهای خطی، کنترل کننده کلی که یک کنترل کننده غیرخطی است از ترکیب فازی کنترل کننده های خطی طراحی شده حاصل می شود. در طراحی کنترل کننده لغزشی با تعریف سطوح لغزش جداگانه برای هر یک از زوایای چرخشی سیستم، قانون کنترلی طوری طراحی می شود که حالت سیستم از شرایط اولیه دلخواه، به سمت این سطوح همگرا شده و با باقی ماندن بر روی آن، به سمت مقدار مطلوب خود میل نماید. رفتار سیستم در پیاده سازی جداگانه ی هر یک از کنترل کننده های pdc و لغزشی بر روی مدل دینامیکی سیستم شبیه سازی شده و نتایج حاصل از آنها علاوه بر بررسی جداگانه، باهم مقایسه شده است. همچنین مقاوم بودن کنترل کننده های طراحی شده در برابر وجود اثرات نامعینی واغتشاش خارجی مورد ارزیابی قرار گرفته است. پس از طراحی کنترل کننده، به طراحی مسیر حرکت برای پرنده مورد نظر پرداخته شده است. در طراحی مسیر، فرض شده است که مشخصات سینماتیکی نقاط مبدأ و مقصد حرکت از قبل مشخص بوده و پرنده مسیر حرکت بین این نقاط را با توجه به محدودیتهای فیزیکی حاکم بر خود، باید در کوتاهترین زمان ممکن طی نماید. برای حل این مسئله، معادلات حرکت به صورت توابع چند جمله ای متغیر با زمان در نظرگرفته شده و ضرایب این توابع جهت حرکت در حداقل زمان و برآورده شدن شرایط مرزی نقاط شروع و پایان حرکت محاسبه شده اند.

با پیشرفت علوم و مهندسی، مدل های امروزی جزئیات بیشتری را ارائه می کنند و ابعاد مسایل مدرن به سرعت رو به افزایش است. از طرفی ابعاد مسایلی که ما قادر به حل آنها هستیم از طریق توان محاسباتی موجود محدود می شود. ریاضیدانان و از دیگر سو مهندسان کامپیوتر، رویه هایی را برای حل مسایل بزرگ پیشنهاد کرده اند، اما علیرغم این تلاشها هنوز مسایل بسیاری موجودند که حل آنها از توان روشهای ارایه شده، خارج است. یکی از جدید ترین رویکردهای حل مسایل بزرگ، استفاده از محاسبات موازی است. محاسبات موازی عبارت است از به کارگیری همزمان چندین پردازنده برای حل یک مساله به منظور گرفتن نتایج سریعتر. با بزرگ شدن ابعاد مسایل امروزی، احتمال بروز خطا در مرحله مدلسازی و امکان ناپذیر شدن مدل، افزایش می یابد. از آنجا که مدلسازی مسایل بزرگ هزینه بر می باشد، صرفنظر کردن از مدل های امکان ناپذیر و ساختن مدلهای جدید به صرفه نیست. لذا ریاضیدانان در طی دو دهه اخیر روشهایی را برای تحلیل و بازیافت این مدلها ارایه کرده اند. با توجه به اینکه امکان ناپذیری در بطن مسایل بزرگ مقیاس رخ می دهد و مهم ترین رویکرد حل آن بوسیله یک مساله np-hard قابل صورتبندی است، استفاده از محاسبات موازی در حل این مساله، مناسب به نظر می رسد. در تحقیق حاضر روشهای تحلیل مساله امکان ناپذیری شناسایی شده و از نقطه نظر محاسبات موازی مورد بررسی قرار گرفته اند. سپس برای آن دسته از روشها که امکان موازی کاری در الگوریتم هایشان وجود دارد، نسخه های موازی بر اساس معماری حافظه توزیع شده و مدل انتقال پیام طراحی گردیده است. در ساختن برنامه های مربوطه، پروتکل mpi استفاده شده است. در نهایت نتایج حاصل از حل عددی الگوریتم های طراحی شده به منظور نشان دادن کارایی آنها آورده شده است و الگوریتم ها مورد مقایسه قرار گرفته اند.

به طور کلی اغتشاش پدیده ای نا منظم و تصادفی بوده و در اثر ناپایداری جریان ایجاد می شود. در جریان های مغشوش ناپایداری جریان باعث مخلوط شدن سریع ذرات و افزایش نرخ انتقال حرارت، مومنتوم و جرم می شود. اغتشاش از جمله خصوصیات جریان بوده و به عدد رینولدزوابسته می باشد. به دلیل وجود نوسانات در کمیات مختلف جریان مغشوش نمی توان جریان را از طریق معادلات حاکم بر جریان آرام حل نمود. در یکی از متداولترین روشهای تحلیل جریان مغشوش، با در نظرگرفتن هر یک از متغیرهای جریان به صورت مجموع دو بخش متوسط و نوسانی می توان معادلات حاکم متوسط گیری شده بر جریان مغشوش را بدست آورد. لذا در در معادلات حاکم مجهولات جدیدی شامل متوسط حاصلضرب کمیات نوسانی ظاهر می گردد. حاصلضرب این کمیات نوسانی که در معادله مومنتوم ،تنش های رینولدز نامیده می شود ، با استفاده از مدل های جریان مغشوش بر اساس متغیرهای اولیه بیان مسئله بیان می شوند. مدل های جریان آشفته از چالش های اصلی محققان برای پیش بینی بهتر جریان های آشفته هستند. دقت در پیش بینی کمیت های جریان آشفته ، منجر به دقت در پیش بینی میدان جریان و در نتیجه دقت در کلیه نتایج شبیه سازی عددی خواهد شد. دو مدل بسیار مناسب برای شبیه سازی جریان های آشفته، مدل دو معادله ای- به طور خاص مدلk-? - و مدل تنش جبریasm هستند. مزیت مدل دو معادله ای، سادگی و سرعت محاسبات و رفتار همگرایی بهتر در حل عددی است، در صورتیکه عیب آن فرض ایزوتروپ بودن جریان مغشوش و پیش بینی غلط تنش های عمودی توربولانس است. مدل asm تش های عمودی را با دقت خیلی بیشتری پیش بینی می کند ولی از نظر همگرایی و همچنین پیش بینی صحیح تنش های برشی توربولانس ضعیف است. لذا به نظر می رسد تلفیق مناسبی از این دو مدل بتواند ضمن جبران ضعف های هر دو مدل از مزایای هر دو بهره ببرد. در این تحقیق، تلفیق دو مدل مذکور به دو شیوه باینری و فازی انجام شده است و نتایج برای جریان پشت پله ، جریان در یک حفره کم عمق و جریان در یک سیکلون استیرمان ارائه شده است. مقایسه نتایج مدل های تلفیقی با نتایج آزمایشگاهی و نتایج دیگر مدل های جریان مغشوش نشانگر این موضوع است که مدل تلفیقی توانسته است پیش بینی کمیت های میدان جریان را بطور میانگین حداقل 34/8 درصد و حداکثر 4/32 درصد نسبت به مدل های دیگر بهبود بخشد.

با پیشرفت علوم و افزایش نیاز به مطالعه ی پدیده های فیزیکی پیچیده، مشکل زمان اجرای طولانی در علوم مختلف نسبت به قبل پر رنگ تر شده است. پیش بینی هوا از روی الگو های هواشناسی و یا شبیه سازی حرکت هواپیماهای مسافربری، نمونه های از این پدیده ها می باشند. یکی از راه های غلبه بر این مشکل استفاده از فناوری پردازش موازی است که با پیشرفت رایانه های جدید پا به عرصه ی وجود گذاشته است. در سال 2006 نسل نوینی از کارت های گرافیکی به بازار عرضه شد که توانایی پردازش داده های غیر گرافیکی را علاوه بر داده های گرافیکی دارا بود. این نسل جدید پایه گذار روش تازه ای در پردازش موازی به نام محاسبات موازی بر روی پردازنده های گرافیکی گردید. در پایان نامه ی حاضر از این تکنولوژی برای افزایش سرعت شبیه سازی جریان تراکم ناپذیر استفاده شده است. معادلات این جریان برای شبکه ی بدون سازمان به روش همبسته، مورد گسسته سازی قرار گرفته است. مسایل مورد بحث، حفره با دیواره ی متحرک 90 درجه و 30 درجه و جریان پشت پله می باشد که دو مسئله ی اول برای دو نوع شبکه ی مربعی و مثلثی مورد تحلیل قرار گرفته اند. البته در ابتدا برای بررسی صحت کد نوشته شده و مقایسه ی عملکرد پردازنده مرکزی با پردازنده ی گرافیکی، یک مسئله انتقال حرارت هدایتی نیز مورد بحث قرار گرفته است. بررسی نتایج بدست آمده نشان می دهند که پردازنده های گرافیکی می توانند به عنوان مثال جریان درون حفره با دیواره ی متحرک 90 و 30 درجه را به ترتیب تا 48 و 56 برابر سریعتر شبیه سازی کنند. به طور کلی نتایج بدست آمده حاکی از آن است که پردازنده های گرافیکی می توانند به عنوان منبعی ارزان ولی بسیار کاربردی و موثر در مقابله با مشکل زمان اجرای طولانی مسایل دینامیک سیالات محاسباتی بشمار روند. همچنین نتایج نشان دادند که با توجه به معماری خاص این پردازنده ها، بیشترین میزان راندمان برای حالات خاصی از شبکه و تعداد معادلات، بدست می آید.

بررسی جریان های تراکم پذیر از پرکاربردترین مسائل در مهندسی مکانیک می باشد. در شبیه سازی جریان های با عدد ماخ بالا به علت کاهش اثر لزجت، می توان از آن صرف نظر کرد. با حذف ترم لزجت از معادله ناویراستوکس، معادله اویلر حاصل می شود. برای تحلیل جریان های مافوق صوت و ماوراء صوت از معادله اویلر استفاده می شود. شبیه سازی جریان های تراکم پذیر به علت طولانی بودن زمان اجرا، بسیار پرهزینه است. اخیرا استفاده از پردازشگر گرافیکی برای محاسبات موازی جریان های تراکم پذیر غیرلزج رواج زیادی یافته است. کارهای انجام شده، نتایج خیره کننده ای از میزان افزایش سرعت روی پردازشگر گرافیکی نسبت به پردازشگر مرکزی نشان می دهد. در این تحقیق حل عددی معادلات حاکم برای جریان های تراکم پذیر غیرلزج با روش های hll، hllc و weno به صورت مبسوط شرح داده می شود و دقت این روش ها در حالت یک بعدی توسط حل دقیق مسأله ریمان، اعتبار سنجی و مقایسه می شوند.برای اعتبارسنجی در حالت دوبعدی از حل مسأله انفجار استفاده می شود. این حل با روش godunov مقایسه می گردد. حلگر مسأله ریمان در این مسأله همان حلگر دقیق می باشد با این تفاوت که یک ترم چشمه به آن اضافه شده است. برای شرایط مرزی در شبیه سازی جریان های دوبعدی از روش مرز شناور استفاده شده است. این روش مبتنی بر بکارگیری سیال مجازی به منظور توسعه شرایط مرزی با دقت حل بالا می باشد. با اعمال این روش می توان به جای استفاده از شبکه منطبق بر مرز ، از شبکه دکارتی مربعی استفاده نمود که باعث سادگی کار و کاهش هزینه های محاسباتی می شود. برای اعتبارسنجی روش مرز شناور، نقاط سه گانه ناشی از برخورد امواج در جریان پشت استوانه، مکانیابی می شود و با نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی های عددی مقایسه می گردد. برنامه های تراکم پذیر نوشته شده با استفاده از محیط کودا، قابل اجرا به صورت موازی روی پردازشگر گرافیکی می گردند. پردازنده گرافیکی مورد استفاده در این پژوهش، geforcegtx580 می باشد. این پردازنده دارای 512 هسته محاسباتی و حافظه جانبی 1536مگابایت است. سرعت انتقال اطلاعات در این پردازنده برابر 192 گیگابایت بر ثانیه می باشد. میزان افزایش سرعت با تعداد گره محاسباتی رابطه مستقیم دارد و با افزایش تعداد گره، مقدار آن افزایش می یابد. با استفاده از این پردازنده، میزان افزایش سرعت در برنامه یک بعدی hllc، 35 برابر محاسبه گردید. سرعت اجرای برنامه hll در حالت یک بعدی 30 برابر و در حالت دوبعدی بیش از 80 برابر افزایش یافته است. برای برنامه weno نیز افزایش سرعت معادل 36 برابر و 176 برابر حاصل شده است. این میزان افزایش سرعت بسیار خیره کننده است و برای اولین بار است که این میزان افزایش سرعت برای برنامه تراکم پذیر با استفاده از یک پردازنده گرافیکی به دست می آید. در این تحقیق به بررسی اثر اندازه بلوک روی میزان افزایش سرعت پرداخته شده است. نشان داده شد که بهترین اندازه بلوک در این کارت گرافیک، 1×512 می باشد. با استفاده از مرز شناور میزان افزایش سرعت کاهش می یابد اما با افزایش اندازه شبکه، این مقدار به مقدار افزایش سرعت بدون مرز شناور نزدیک تر می شود.

حرکت قطرات شناور در بازه وسیعی از کاربردهای عملی استفاده می شود. که این شامل جریان نفت و آب داخل لوله ها، بازیابی نفت درون محیط متخلخل، املاح مخلوط در آب و فرایندهای پلیمری می شود. مهاجرت جانبی ذرات شکل پذیردر جریان پواسل موضوع بسیاری ازتحقیقات بوده است.مهاجرت جانبی اجسام شناور در سیال دیگر در فرایندهای انتقالی بسیار مهم است، که جرم، مومنتوم و انرژی تغییر می کند. مهاجرت جانبی قطره شناور در جریان پواسل به صورت عددی در حالت دوبعدی بررسی شده است. مکانیزم مهاجرت تک قطره توسط فنگ و همکاران شرح داده شده است. نیروی رانش دیواره که به عنوان اثر روانکاری شناخته می شود، قطره را به سمتمرکز کانال می راند. یک نیروی لیفت مگنوس بر روی قطره بسته به چرخش قطره و سرعت لغزشی قطره عمل می کند. جهت این نیروی لیفت بستگی به این دارد که قطره از جریان جلو بیفتد یا از جریان عقب بیفتد. برای نسبت چگالی های کمتراز یک قطره از جریان جلو میفتد و این این نیرو در جهت دیواره کانال است. وقتی نسبت چگالی بیشتر از یک شود، قطره از جریان عقب میفتد و این نیرو به سمت مرکز کانال می شود. انحنای پروفیل سرعت هم یک نیروی جانبی را تحمیل می کند که همواره قطره را به سمت دیواره می راند. از طرف دیگر، اینرسی جریان یک نیروی جانبی ایجاد می کند که به عنوان لیفت اینرسی(لیفت سافمن) شناخته می شود که تابع جهت سرعت لغزشی است. مکان تعادل قطره نتیجه توازن بین نیروهای مذکور است. در نسبت چگالی های کمتر از یک برای قطره با نیروی شناوری کم،قطره به مکانی در نزدیکی دیواره مهاجرت می کند. اگر نیروی شناوری قطره خیلی زیاد باشد، مکان تعادل به سمت مرکز می رود.همچنین در نسبت چگالی های بیشتر از یک، قطره به سمت مرکز کانال مهاجرت می کند. مکان تعادل به عدد فرود بستگی دارد. همچنین مکان تعادل به تغییر شکل و اینرسی جریان هم وابسته است. وقتی که عدد کپیلاری افزایش می یابد، مکان تعادل برای هرنسبت چگالی از دیواره دور می شود. همچنین اثر عدد رینولدز بر روی مکان تعادل در چند شبیه سازی مطالعه شد. در یک عدد فرود بالا، قطره نوسانهای با دامنه محدوددرمرکز کانال دارد. در یک عدد رینولدز نسبتاً بالا (120)و یک عدد فرود متوسط (43) قطره یک نوسان در عرض کانال را نشان می دهد و به یک مکان تعادل پایدار نمی رسد. مکان تعادلقطره انطباق خوبی با نتایج عددی برای ذرات صلب دارد. سوسپانسیون قطرات شناور در دو کسرسطحی کم و متوسط در اعداد رینولدز محدود در جریان پواسل مورد مطالعه قرارگرفته است. جریان بر اساس تابعی از عدد کپیلاری، عدد رینولدز، عدد فرود و نسبت چگالی مطالعه شده است. چسبندگی موثر با افزایش عدد موئینگی کاهش می یابد. درهر دو کسر سطحی در نسبت چگالی های بیشتر از یک، چسبندگی موثر با افزایش عدد فرود افزایش می یابد ودر نسبت چگالی های کمتر از یک، با افزایش عدد فرود کاهش می یابد.اثر عدد رینولدز روی چسبندگی موثر مشابه اثر عدد فرود است.تفاوت این دو کسرسطحی، در درجه آزادی بیشتر برای حرکت قطره در کسرسطحی کم است.

با توجه به کاربردهای فراوان سورفکتان ها در زمینه های مختلف نظیر شویندگی، نساجی، صنایع بهداشتی و داروسازی، صنایع نفتی و همچنین کاهش درگ، و از آنجاییکه جریان برشی اعمال شده به محلول سورفکتان بر ساختار تجمعی مولکول ها ی سورفکتان اثر می گذارد، فهم اثر برش بر روی خود جمعی مولکول ها ی سورفکتان از اهمیت زیادی برخوردار است و منجر به آزمایشات تجربی و مطالعات نظری بسیاری در این زمینه شده است. از آنجاییکه در این سیستم ها با گستره ی وسیعی از مقیاس ها ی زمانی و طولی سروکار خواهیم داشت، نیاز به یک روش چند مقیاسی داریم که بتواند مقیاس ها ی زمانی و طولی مورد نیاز را پوشش دهد. به این منظور در این پایان نامه برای بررسی رفتار سورفکتان ها تحت جریان برشی، از روش dpd به دلیل توانایی های آن در مدل کردن سیالات پلیمری استفاده شده است. بعد از آشنایی با روش dpd و چگونگی کاربرد آن، سورفکتان ها با استفاده از مدل ذره-فنر شبیه سازی شده و خود جمعی مولکول های سورفکتان در تشکیل مایسل های کروی، استوانه ای و دو لایه ای بررسی می شود. سپس محلول سورفکتان تحت جریان برشی که توسط شرط مرزی لیز-ادوارد اعمال می گردد، قرار گرفته و رفتار رئولوژیکی سورفکتان شامل تغییر شکل مایسل ها و تغییرات ضریب لزجت محلول مورد بحث واقع می شود. نتایج حاصل نشان داد که ضریب لزجت محلول ابتدا در اثر افزایش اندازه مایسل ها افزایش یافته و سپس به علت کشیدگی آن ها و هم سو شدن با جهت جریان، ضریب لزجت کاهش می یابد. اختلاف تنش نرمال اول و دوم نیز برای محلول سورفکتان محاسبه شد. نتایج نشان داد که اختلاف تنش نرمال اول با افزایش نرخ برش زیاد می شود و اختلاف تنش نرمال دوم تقریباً مقداری برابر صفر خواهد داشت که از ویسکوالاستیک بودن محلول نتیجه شده است. در نهایت رفتار سورفکتان ها تحت جریان پویزویل مورد بحث قرار گرفته و نشان داده شده است که مایسل های تشکیل شده تمایل به مهاجرت به سمت مناطق پرسرعت در عرض کانال را دارند و این رفتار هم در جریان پویزویل برگشتی و هم در جریان پویزویل با دیواره جامد مشاهده شده است. نتایج حاصل از ترسیم پروفیل های سرعت نیز نشان دادکه با افزایش نیروی محرکه، سرعت افزایش یافته و با افزایش غلظت سورفکتان، سرعت جریان کم می شود. همچنین وقتی غلظت سورفکتان افزایش می یابد، پروفیل سرعت تخت تر می شود که از ویسکوالاستیک بودن محلول سورفکتان نتیجه شده است و درمقادیر بالای نیروی محرکه زمانی که مایسل های میله ای شکل در محلول ایجاد می شوند به وضوح دیده می شود.

یکی از مهم ترین قسمت های سیستم های مرتبط با وسایل میکرو و نانو، مجاری هستند که به منظور انتقال سیال با اهداف مختلفی مانند انتقال حرارت، جابجایی مواد و سوخت رسانی مورد استفاده قرار می گیرند. این مجاری با توجه به ابعاد این تجهیزات، دارای طول مشخصه ای در مقیاس میکرو و نانو هستند. با توجه به کاربرد گسترده نانو کانال ها، شناخت رفتار سیال در نانوکانال ها سهم بزرگی در پیش بینی خواص این نوع سیستم ها بر عهده دارد. لذا باید روش مناسبی برای تحلیل این کانال ها پیش بینی شود. با توجه به محدودیت های سخت افزاری در تحلیل رفتار جریان در مقیاس میکرو و نانو، شبیه سازی های عددی به عنوان مکمل روش های آزمایشگاهی، روش مناسبی برای شبیه سازی این نوع سیستم ها هستند. علاوه بر این با توجه به حساسیت اندازه گیری در این وسایل باید یک روش شبیه سازی را در نظر گرفت که از دقت بالایی برخوردار باشد. از این رو در این پژوهش از روش شبیه سازی دینامیک ملکولی، استفاده می شود، که یک روش دقیق شبیه سازی سیستم های ملکولی بر مبنای قانون دوم نیوتن است و برای پیش بینی رفتار بین ذره ای میان ذرات به کمک مکانیک آماری به کار می رود. یکی از فرضیات کلاسیک مورد استفاده در مکانیک سیالات محیط های پیوسته، شرط مرزی عدم لغزش است، که در تشریح جریان در مقیاس های ماکرو موفق عمل کرده است اما مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهند که این شرایط به علت امکان لغزش سیال نسبت به دیوار در مقیاس میکرو و نانو نیاز به بازنگری دارند. با اعمال شرایط مرزی لغزشی در دیواره نتایج بدست آمده از حل های عددی و تحلیلی به مقادیر عددی نزدیکتر شد، اماهمچنان اختلاف قابل توجهی در نتایج وجود داشت با بررسی ها و مطالعات انجام شده بر جریان سیال در میکرو و نانو کانال ها با جنس و زبری نسبی متفاوت، دانشمندان متوجه تاثیر متفاوت و قابل توجه زبری سطح بر جریان در ابعاد میکرو و نانو شدند.از این رو در این پژوهش با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک ملکولی اثر انواع هندسه زبری سطح بر روی مشخصه های جریان آرگون مایع در یک نانوکانال مورد بررسی قرار گرفته است. انواع هندسه زبری به کار برده شده در این پژوهش شامل هندسه های مستطیلی، ذوزنقه ای، مثلثی و استوانه ای و همچنین هندسه زبری با المان-های شطرنجی شامل کروی و مکعبی است و تأثیر پارامترهای ارتفاع زبری، فاصله بین المان های زبری و نسبت عمق انرژی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که ارتفاع زبری و فاصله بین المان های زبری تأثیر قابل توجهی بر روی مشخصات جریان دارد. در واقع با افزایش ارتفاع زبری سرعت لغزشی و بیشینه سرعت کاهش، و میزان نوسانات چگالی افزایش می یابد. به علاوه کاهش فاصله بین المان های زبری کاهش سرعت جریان را به دنبال دارد. همچنین نتایج نشان می دهند میزان نوسانات چگالی مستقل از هندسه زبری است. در سال های اخیر نرم افزارهای متن باز به طور گسترده ای در کاربردهای علمی مثل شبیه سازی ملکولی مورد استفاده قرار گرفته است. لمپس یکی از کاربردی ترین و معروفترین آنها است که در این پژوهش از آن استفاده شده است.

بروز وگسترش بیماری تصلب شرائین و به دنبال آن انسداد عروق درشریان های بزرگ وحیاتی منجربه بروز اختلالات بسیاری درسیستم گردش خون بدن می شود. عوامل همودینامیکی در گسترش این بیماری نقش عمده ای را ایفامی کنند. یک چالش اساسی که در این جا مورد توجه قرار می دهیم، کوپل موثر سیال و سازه در حالت دایمی و ضربانی می باشد. هدف از پروژه ی حاضر شبیه سازی جریان پالسی خون در رگ انعطاف پذیر می باشد. معادلات سیال توسط روش شبکه ی بولتزمن و معادلات سازه توسط روش دینامیکی اجزاء محدود حل شده است. کدنویسی به زبان فرترن انجام شده است. روش کوپلینگ صریح دو طرفه برای کوپله نمودن بر هم کنش سازه و سیال انتخاب شده است که نیرو را توسط حل گر سیال محاسبه نموده و به سطح تماس منتقل می نماید. سپس با داشتن نیروهای سیال، توسط حل گر جامد جابجایی ها و سرعت ها را محاسبه می کند. از دو حلگر مجزا برای سیال و جامد استفاده شده است. جامد به صورت جسم متقارن محوری و الاستیک خطی در نظر گرفته شده است و از میرایی تناسبی برای شبیه سازی میرایی جامد استفاده شده است و برای انتگزال گیری زمانی از روش ضمنی نیومارک استفاده شده است و مدل سیالی که برای شبکه ی بولتزمن درنظر گرفته شده است یک مدل دو بعدی و نیوتنی است. در این پروژه در شرایط مرزی ورودی و خروجی مختلف اثر انعطاف پذیری بر پروفیل سرعت و تنش برشی سنجیده شده است. از شرایط مرزی سرعت ورودی و فشار خروجی در شبیه سازی ها استفاده شده است. ابتدا سرعت ورودی و فشار خروجی ثابت در حالت انعطاف پذیر و صلب مورد مقایسه قرار گرفته شده است. در گام بعدی اثر سرعت ورودی پالسی در نتایج بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که پروفیل سرعت در حالت انعطاف پذیر به صورت تخت تر می شود و بنابراین تنش برشی در این حالت کاهش می یابد. در نهایت فشار پالسی ورودی و فشار خروجی ثابت مورد بررسی قرار گرفته است در این حالت میرایی نسبت به حالت قبل تاثیر بیشتری بر نتایج دارد و هر چه میرایی کمتر باشد پروفیل سرعت تخت تر می شود.

در فرآیند جذب با تناوب فشار، جریان عبوری از بستر، تحت تأثیر نوسان فشار قرار می گیرد تا فرآیند جذب توسط دانه های جاذب، در نیم سیکل اول زمانی و در فشار بالا، انجام شود و محصول غنی از جزء مورد نظر تولید گردد. در نیم سیکل دوم زمانی که فشار سیستم پایین است، فرآیند دفع توسط دانه ها صورت می گیرد تا بستر از حالت اشباع خارج شده و مجدداً برای نیم سیکل بعدی، آماده فرآیند جذب شود و این عمل در سیکل های متعدد ادامه می یابد و محصول بیشتری تولید می گردد. در این پروژه، شبیه سازی فرآیند جذب با تناوب فشار، جهت جداسازی اکسیژن از هوا، به کمک یک بستر فشرده (در مراحل جذب و تخلیه) و دو بستر فشرده (سیکل کامل اسکار استورم: مراحل فشارزنی، جذب، تخلیه و پاکسازی)، توسط نرم افزار comsol 4.2 a ، انجام شده است. دانه های جاذب از نوع زئولیت 5a می باشند. در این شبیه سازی، در شرایط همدما، معادلات بقاء جرم جزئی اجزاء جریان، همراه با رابطه مدل ldf حل شده اند که مدل همدمای تعادلی لانگمویر برای بیان تعادل غلظت اجزاء درون دانه ها و بین دانه ها به کار گرفته شده است. تحت این شرایط، بر اساس تغییرات فشار جزئی اجزاء جریان در طول بستر و نسبت به زمان، تغییرات ضرایب نفوذ مولکولی و نودسن (ضرایب نفوذ به درون حفره های ماکروی دانه جاذب) محاسبه شده و همچنین تأثیر به کار بردن ضریب نفوذ سطحی(ضریب نفوذ به درون حفره های میکروی دانه جاذب) لحاظ شده است. بر اساس مقادیر این ضرایب، با توجه به روابط تجربی موجود، تأثیر تغییرات ضریب نفوذ محوری و ضریب نفوذ همگن موثر( مدل ldf) در محاسبه میزان شار جذب نیتروژن و غلظت اجزاء در بین دانه ها به دست آمده است و علاوه بر این، تأثیر تغییرات ویسکوزیته جریان، ناشی از تغییرات کسر مولی اجزاء جریان در طول بستر و نسبت به زمان، نیز در محاسبه شار جذب نیتروژن و غلظت اجزاء در بین دانه ها در نظر گرفته شده است. نتایج به دست آمده از این شبیه سازی با نتایج به دست آمده از شبیه سازی فرآیند در شرایط همدما و در حالتی که ضریب نفوذ محوری، ضریب نفوذ همگن موثر و ویسکوزیته جریان، مستقل از مکان (امتداد بستر) و زمان در نظر گرفته شده و از ضریب نفوذ سطحی صرفنظر شده، مقایسه شده است. اهمیت این پروژه در محاسبه دقیق تر شار جذب نیتروژن و غلظت اجزاء در بین دانه ها، نسبت به شبیه سازی های قبلی، در شرایط همدما می باشد. همچنین در این پروژه، نیم سیکل اول سیکل اسکاراستورم، با مدل فیک، به کمک ترکیب روش های ترتیب متعامد و حجم محدود، توسط کد عددی، شبیه سازی شده است. معادلات مورد استفاده، شامل معادلات بقاء جرم جزئی اجزاء، معادله بقاء انرژی در داخل بستر و معادلات بقاء جرم جزئی اجزاء درون دانه جاذب می باشد. در این حالت، تغییرات دما در طول بستر و نسبت به زمان در نظر گرفته شده، ولی برای دانه های جاذب (زئولیت lilsx) فقط تغییرات زمانی دما، لحاظ شده است.

در این پایان نامه تولید انتروپی و برگشت ناپذیری در شعله های غیرپیش مخلوط مغشوش با در نظر گرفتن انتقال حرارت تشعشع در محفظه احتراق مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبه تولید انتروپی بر پایه استفاده از اطلاعات میدان جریان و بصورت پس پردازش انجام شده است. شبیه سازی احتراق و تشعشع در شعله به ترتیب با استفاده از روش فلیملت پایای آرام و discrete ordinates و با استفاده از کد تجاری فلوئنت انجام شده است. از سینتیک شیمیائی کامل برای درنظر گرفتن گونه ها و واکنش های میانی و برای اعمال رفتار غیرخاکستری گازهای احتراق از روش جمع وزنی گازهای خاکستری استفاده شده است. محاسبه تولید انتروپی با درنظر گرفتن تولید انتروپی ناشی از تلفات ویسکوز، هدایت حرارتی، دیفیوژن گونه ها، واکنش های شیمیائی و تبادل تشعشع درون گازهای احتراق انجام شده است. نتایج نشان می دهد که حدود نیمی از اگزرژی سوخت بواسطه برگشت ناپذیری عوامل فوق از بین می رود. علاوه بر این نتایج نشان می دهد که هدایت حرارتی عامل اصلی تولید انتروپی و برگشت ناپذیری می باشد و واکنش های شیمیائی، دیفیوژن گونه ها و تبادل تشعشع بین گازهای احتراق به ترتیب اهمیت در جایگاه های بعدی قرار دارند درحالیکه تولید انتروپی ناشی از تلفات ویسکوز بسیار ناچیز و قابل صرفنظر می باشد. بررسی اثر دمای هوای احتراق بر تولید انتروپی نشان داد که با افزایش دمای هوای احتراق تولید انتروپی ناشی از هدایت حرارتی، که عامل غالب تولید انتروپی می باشد، بطور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد که کاهش تولید انتروپی کل را به همراه دارد. بررسی ترکیب سوخت مصرفی نیز نشان داد که با افزودن هیدروژن به متان تولید انتروپی ناشی از واکنش های شیمیائی بطور چشمگیری کاهش می یابد که کاهش تولید انتروپی کل و افزایش راندمان قانون دوم شعله را به همراه دارد.

امروزه, گازهای خالص در صنعت و پزشکی, کاربردهای فراوانی دارد و با توجه به کاربرد روز افزون این گازها, روش های متفاوتی برای خالص سازی آن ها وجود دارد که یکی از این روش ها ، روش جذب تناوبی فشار (pressure swing adsorption یا psa )است. در این پروژه, هدف شبیه سازی عددی فرآیند جداسازی اکسیژن از هوا در بستر فشرده، و همچنین بررسی تأثیر فشار ورودی بر میزان جذب است. شبیه سازی جذب در بستر فشرده, قدم اول در شبیه سازی فرآیند psa است. پدیده حاکم در فرآیند خالص سازی با استفاده از psa، فرآیند جذب سطحی است. جذب سطحی بر روی ذرات جاذبی به نام زئولیت اتفاق می افتد که تحت فشار، بسته به جنس جاذب, یکی از گونه ها را بهتر جذب می کند. برای جداسازی, از تعداد بسیار زیادی از این ذرات جاذب استفاده می شود که این تعداد زیاد جاذب, بستری فشرده و متخلخل ایجاد می کنند. تفاوت این مطالعه با کارهای قبلی, عدم استفاده از دیدگاه بستر متخلخل در شبیه سازی فرآیند جداسازی مخلوط گازهای چند جزئی در بستر فشرده تحت تأثیر پدیده ی جذب سطحی است. به این منظور برای شبیه سازی، فضای بین جاذب ها شبکه بندی بی سازمان شده است. مدل مورد استفاده برای شبیه سازی جذب سطحی، مدل نیرو محرکه خطی (linear driving force یا ldf) است. معادلات حاکم، معادلات مومنتم، پیوستگی و اسکالر انتقال برای گونه نیتروژن هستند که در سه بعد حل می شوند. برای بررسی اثر تغییر فشار بر روی میزان جذب، فشار ورودی, با در نظر گرفتن اختلاف فشاری ثابت بین ورودی وخروجی, تغییر داده می شود و میزان تغییر کسر جرمی اکسیژن در خروجی بستر محاسبه می شود. گاز ورودی به بستر هوا، با در صد مولی 79% نیتروژن و21% اکسیژن است. از نرم افزار تجاری فلوئنت برای شبیه سازی استفاده شده است. هوا گاز ایده آل و فرآیند جذب سطحی هم دما در نظر گرفته شده و ضریب جذب در کل بستر ثابت فرض شده است. ازفرضیات دیگر,جذب گونه ینیتروژن می باشد واز جذب گونه اکسیژن صرف نظر شده است. هم دمای به کاربرده شده, هم دمای لانگمویر است. برای ایجاد بستر فشرده, از الگوریتم اجزا گسسته(discreat element method یا dem (استفاده شده است. بدین منظور, فرآیند جذب سطحی بر روی 54 دانه جاذب شبیه سازی شده است. با افزایش فشار, میزان جذب افزایش می یابد. همچنین, با افزایش فشار, دبی جرمی افزایش و سرعت در بستر فشرده کاهش می یابد. از نتایج دیگر تأثیر کم جذب برروی فشار است.

طی چند دهه گذشته, پدیده جذب سطحی, توجه بسیاری از صنایع را به خود معطوف کرده است. از مهم ترین کاربردهای این پدیده, می توان به جداسازی مخلوط گازها, به ویژه برای تولید اکسیژن و یا نیتروژن خالص اشاره کرد. این روند روز افزون استفاده از پدیده جذب سطحی, لازم داشته تا با استفاده از روش های شبیه سازی, از جمله cfd, با دقت بیشتری به جزئیات آن پرداخته شود. در این پژوهش, رهیافتی جدید برای شبیه سازی پدیده جذب سطحی مخلوط چند جزئی گاز ارائه می گردد و اثر دانه بندی ذرات جاذب درون یک بستر فشرده, بر روی پدیده جذب سطحی مورد بررسی قرار می گیرد. برای تولید هندسه بستر فشرده, از برنامه از قبل نوشته شده که بر پایه روش dem استوار است استفاده شده است. معادلات حاکم, معادلات پیوستگی, ممنتوم و معادله انتقال اسکالر گونه شیمیایی است که تنها برای فاز سیال حل می گردند و میزان جذب در دانه های جاذب از طریق معادله ldf محاسبه می شود. تولید شبکه و شبیه سازی فرآیند جذب سطحی, به ترتیب با استفاده از نرم افزارهای تجاری icem cfd و ansys fluent 13.0 انجام گرفته است و شرایط اولیه, شرایط مرزی و همچنین جملات چاه مورد نیاز برای حل معادلات, از طریق توابع قابل تعریف در نرم افزار ansys fluent 13.0 (udf) اعمال گردیده است. برای اعتبار سنجی حل میدان جریان و اطمینان از درستی تنظیمات در نظر گرفته شده در نرم افزار, مقدار افت فشار با کارهای قبلی انجام شده مقایسه شده است. برای شبیه سازی پدیده ی جذب سطحی, مخلوطی دو جزئی (حاوی 21 درصد اکسیژن و 79 درصد نیتروژن) از روی بستری فشرده از ذرات جاذب نیتروژن عبور داده می شود و در خروجی, اکسیژن با درصد خلوص بالاتر به دست می آید. به منظور بررسی اثر دانه بندی بر روی پدیده جذب سطحی, بستری با ابعاد ثابت و تعداد دانه های جاذب 7, 14, 28, 41 و 62 در نظر گرفته شده است و مقدار کسر مولی اکسیژن و دبی جرمی اکسیژن خروجی برای بسترها با دانه بندی های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است. با توجه به نتایج به دست آمده, عوامل موثر بر پدیده جذب, با فرض ثابت بودن فشار, مقدار جرم ذرات درون بستر و همچنین تخلخل بستر است. به طور کلی, با توجه به مدل ldf, هرچه جرم بستر بیشتر باشد, میزان جذب نیز بالاتر خواهد بود و کسر مولی اکسیژن در خروجی بیشتر خواهد شد. از طرف دیگر, در صورت ثابت بودن جرم برای دو بستر, بستری که دارای تخلخل کمتری است, درجه خلوص بالاتری را برای اکسیژن در خروجی بستر به دست می دهد؛ اما تخلخل پایین تر باعث کاهش دبی جرمی اکسیژن خروجی نیز خواهد شد. لازم به ذکر است که به دلیل کمبود نتایج آزمایشگاهی و عدم امکان انجام آزمایش تجربی, نتایج حاصل از شبیه سازی پدیده جذب سطحی به صورت کیفی مورد بررسی قرار گرفته است.

یکی از روش های تولید اکسیژن از هوا که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف از جمله صنایع هواپیمایی و پزشکی دارد، استفاده از فرآیند جذب سطحی با تناوب فشار (psa) می باشد. در این فرآیند، در اثر عبور جریان هوا با فشار بالا از روی یک بستر فشرده که حاوی دانه های زئولیت می باشد، نیتروژن هوا جذب می شود و در نتیجه، اکسیژن غنی شده در خروجی بدست می آید. در کار حاضر، برای اولین بار فرآیند جذب نیتروژن با در نظرگرفتن جزئیات جریان با استفاده از روش شبکه بولتزمن (lb) شبیه سازی شده است. با توجه به اینکه نیتروژن حدود 79/0 هوا را تشکیل می دهد، جذب آن قطعاً باعث تغییر میدان سرعت جریان خواهد شد و لذا با روش های متداول lb نمی توان این شبیه سازی را انجام داد. لذا، برای انجام این مهم، ابتدا یک برنامه کامپیوتری برای حل جریان دوجزئی اکسیژن و نیتروژن در یک بستر فشرده بر پایه روش شبکه بولتزمن چندجزئی انتروپیک تهیه و تدوین و سپس فرآیند جذب بصورت شرط مرزی بر روی مرز دانه ها اعمال گردیده است. برای پیاده سازی فرآیند جذب دو روش مورد استفاده قرار گرفته است. در روش اول، فرآیند جذب به کمک شرط مرزی فشار متغیر با زمان بر روی مرز دانه ها مدل شده است. در راستای انجام این هدف، یک روش جدید برای اعمال شرط مرزی فشار روی مرزهای منحنی در روش شبکه بولتزمن ارائه گردیده است. بررسی های انجام شده نشان می دهد که این شرط مرزی تقریباً از مرتبه دوم دقت می باشد. نتایج حاصل از شبیه سازی های انجام شده با اعمال این شرط مرزی در حالت دوبعدی و سه بعدی نشان می دهد که این روش توانایی مدل سازی فرآیند جذب را دارد. در روش دوم، فرآیند جذب با استفاده از مدل نیرو محرکه خطی (ldf) و همدمای لانگمویر پیاده سازی شده است. صحت پیاده سازی روش با حل چند مسأله مختلف بررسی شده است. به کمک این روش، سه مرحله اصلی یک فرآیند psa یعنی فشارزنی، جذب و رهاسازی شبیه سازی شده اند. با وجود تغییرات شدید در فشار، برنامه تدوین شده این مراحل را به خوبی شبیه سازی نموده است. در شبیه سازی های انجام شده، تغییرات گرانروی و ضریب پخش در نظرگرفته شده است. تنها فرضیاتی که در نظرگرفته شده است، ثابت بودن دما و یکسان بودن جرم ملکولی اکسیژن و نیتروژن می باشد.

استفاده از روش شبکه ی بولتزمن برای حل جریان در چند دهه ی اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از مزایای این روش می توان به کدنویسی آسان، قابلیت موازی سازی و قابلیت استفاده برای جریان های میکرو و نانو اشاره کرد. ولی با وجود این مزایا معایبی هم دارد که از جمله ناپایداری عددی این روش در رینولدزهای بالا است. برای برطرف کردن این عیب روش های مختلفی پیشنهاد شده است. از جمله ی این روش ها می توان به روش ضریب تخفیف چند گانه، ضریب تخفیف دوگانه و روش چند بلوکی اشاره کرد. در کار حاضر روش ضریب تخفیف چندگانه و ضریب تخفیف دوگانه و ضریب تخفیف منفرد برای جریان های حفره، ایرفویل درون کانال شبیه سازی شده و پایداری هرکدام مورد بررسی قرار می گیرد. پس از آن برای افزایش پایداری الگوریتم چند بلوکی را با مدل های برخورد مختلف ترکیب کرده و میزان پایداری این الگوریتم ها بررسی می شود. در ادامه روش چند بلوکی با سه مدل برخورد ترکیب می شود. در عین حال استفاده از روش چند بلوکی برای افزایش پایداری نیازمند شناسایی مناطق مستعد برای ناپایدار شدن حل عددی در داخل دامنه حل است. روش شناسایی این مناطق هم بیان می شود. همچنین سرعت پیشرفت حل روش های مختلف هم با هم مقایسه می شود. الگوریتم دیگری که در این رساله معرفی می شود ترکیب مدل های مختلف برخورد در یک دامنه حل است. این روش را چند برخوردی می نامیم و میزان پایداری عددی این روش را هم بررسی کرده و با سایر روش ها مقایسه می کنیم.

در تحقیق حاضر نشان داده شده است که چگونه هوش مصنوعی می تواند به طور موثری در روند تصمیم گیری طراحی مقدماتی هواپیما به منظور کاهش زمان انجام چرخه طراحی مورد استفاده قرار گیرد . ترکیب وزن برخاست ، نیروی پیشران و سطح بال ها ( نقطه طرح هواپیما)، سنگ زیر بنای طراحی هواپیما بوده و تمامی پارامترهای هواپیما با متغیرهای مربوط به نقطه طرح وابستگی قوی و متقابلی دارند. همچنین بر طبق معادلات حاکم بر طراحی، همه نظام های مطرح در هواپیما از آیرودینامیک، ساختار سازه ها، دینامیک پرواز و پیشرانش گرفته تا پیکربندی و رعایت استانداردها از نقطه طرح هواپیما تاثیر می پذیرند. در این راستا با بکار گیری دو روش استنتاج فازی و شبکه عصبی از شیوه های هوش مصنوعی، ابزار هایی جهت شبیه سازی نقطه طرح هواپیما تهیه شده است که بدون وارد شدن به جزئیات معادلات و انجام حلقه های تکرار چرخه های طراحی در روشهای مستقیم، به انتخاب نقطه طرحی مناسب برای مرحله طراحی مقدماتی هواپیما سرعت می بخشند و به این ترتیب میتوان زمان چرخه طراحی هواپیما را کاهش داد. به منظور ارزیابی توانایی هوش مصنوعی، ابزارهای ساخته شده برای برآورد نقطه طرح جت های تجاری مادون صوت سبک و همچنین جتهای تجاری مافوق صوت بعنوان هواپیماهایی ویژه، به کار برده شده است و نتایج بدست آمده موثر بودن این روشها را در فاز طراحی مقدماتی هواپیما آشکار می سازد. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که اختلاف بین مقادیر واقعی و مقادیر برآورد شده پارامترهای اساسی مربوط به نقطه طرح، در حد قابل قبول برای مرحله طراحی مقدماتی هواپیما می باشد. به این ترتیب هوش مصنوعی توسط استفاده از تجربه، دانش و خرد گرد آمده در طراحی های انجام شده، نقطه طرح مناسبی را در شروع چرخه طراحی هواپیما، در زمانی بسیار کوتاه و در کسری از ثانیه ارائه می نماید. استفاده از این نقطه طرح باعث می-شود تا بسیاری از الزامات طراحی به طور خودکار رعایت شده و حلقه های اصلاحی کمتری برای همگرایی طرح در چرخه طراحی هواپیما مورد نیاز باشد. پیامد منطقی این امر کاهش زمان مورد نیاز برای انجام چرخه طراحی هواپیما میباش

چکیده: این پایان نامه به کاربرد حل روش عددی شبکه بولتزمن درشبیه سازی جریان سیال غیرنیوتنی بر روی مرز منحنی می پردازد.در این راستا، ضمن معرفی روش شبکه بولتزمن در حل جریان سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی، انواع معادلات ساختاری که برای سیالات غیرنیوتنی ارایه شده نیز مورد بررسی قرار گرفته است و حل های تحلیلی برای انواع این سیالات در جریان داخل کانال ارایه شده است. در این پایان نامه برای مدل کردن سیال غیرنیوتنی از مدل توانی استفاده شده است. مدل توانی یکی از مدل های پرکاربرد برای سیالات غیرنیوتنی بخصوص پلیمرهای صنعتی است. در شبیه سازی حاضر نحوه بکارگیری روش شبکه بولتزمن بر روی مرز مستقیم و مرز منحنی توضیح داده شده و انواع روش های ارایه شده برای در نظر گرفتن مرز جامد منحنی شکل در سیال بیان شده است. به عنوان اولین مسیله که توسط حل روش بولتزمن ارایه شده است، یک کانال ساده در نظر گرفته شده و با توجه به شرط مرزی سرعت یکنواخت در ورودی و گرادیان سرعت صفر در خروجی، سرعت خط مرکزی برای سیال غیرنیوتنی با مدل توانی و برای مقادیر مختلفی از شاخص مدل توانی بدست آمده است. در این مسیله پروفیل های سرعت توسعه یافته در کانال برای مقادیر مختلفی از شاخص مدل توانی با حل های تحلیلی مقایسه شده اند. قسمت اصلی این پایان نامه به شبیه سازی جریان سیال غیرنیوتنی با مدل توانی حول یک استوانه اختصاص دارد. میدان سرعت در کانال و ضریب درگ روی استوانه از مهمترین پارامترهای محاسبه شده در این شبیه سازی هستند. برای اعمال شرط عدم لغزش روی سطح منحنی از روش میان یابی توابع توزیع احتمال استفاده شده است. نیروی وارد بر استوانه از روش تغییر مومنتوم بدست آمده و با نتایج حل های محققان قبلی مقایسه شده است. مسیله سوم بررسی حرکت استوانه در یک کانال در جریان سیال غیرنیوتنی است. این مسیله در دو دستگاه مرجع مختصات، یکی متصل به جسم متحرک و دیگری مرجع مختصات ثابت بررسی شده و نتایج با هم مقایسه شده اند. همچنین نیروی مقاوم حاصل از حرکت استوانه در جریان سیالات غیرنیوتنی با جریان سیال نیوتنی مقایسه شده است.در نهایت، جریان سیال نیوتنی عبوری از روی دو استوانه در کنار هم توسط حل روش شبکه بولتزمن شبیه سازی شده و نیروی درگ روی استوانه ها بدست آمده است. انطباق مناسب روش شبکه بولتزمن با نتایج داده های دیگر محققان گویای توانایی مناسب این روش در تحلیل جریان سیالات غیرنیوتنی بر روی مرز منحنی است.

هواپیماهای بدون سرنشین امروزه در نقش های مختلفی از جمله، شناسایی و اکتشاف، از تجهیزات پرکاربرد ارتش های دنیا محسوب می شوند. مزیت بدون سرنشین بودن، در کنار ویژگی های ابعادی و وزنی و کم هزینه بودن آن ها، به این پرنده ها این فرصت را می دهد که قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به سایر وسایل جهت انجام مقاصد ذکر شده داشته باشند. ریزپرنده های mav دسته ای از این هواپیماهای بدون سرنشین هستند که معمولاً در ابعاد کوچکتر از 500 میلیمتر و وزن زیر 500 گرم و در چهار مدل بال ثابت، عمود پرواز، بالزن و بال های چرخان طراحی و ساخته می شوند. مدل مورد بررسی در این پروژه، نمونه های بالزن هستند که ساختاری شبیه پرندگان هستند. تحقیقات بر روی بالزن نشان داده است که آن ها نسبت به ریزپرنده های بال ثابت و چرخان دارای پیچیدگی بیشتر هستند که عمدتاً ناشی از پیچیدگی آیرودینامیکی آن ها باشد. در نتیجه تحقیقات کمتری بر روی آن ها نسبت به نمونه های بال ثابت و بال چرخان صورت گرفته است. الهام بیولوژیکی نشان می دهد که پرواز بال زدن مزایای عملکرد منحصربه فردی را ارایه می کند. ریزپرنده های بال ثابت و بال چرخان یک مشکل چالش زایی را به هنگام کوچک سازی دارند. هنگامی که سایز بال ها کاهش می-یابد، یک گذار به اعداد رینولدز پایین اتفاق می افتد که منجر به کاهش عملکرد مقطع آیرودینامیکی می شود. یک ریزپرنده بالزن پتانسیلی از ترکیب خصوصیات مفید دو نمونه دیگر پروازی ارایه می دهد در حالی که خصوصیات منفی را کاهش می دهد. در این پروژه در ابتدا مطالعاتی جامع و کامل بر روی ریزپرنده های بالزن انجام گرفته و سپس روند طراحی این ریزپرنده ها که روش جدیدی در طراحی مفهومی آن ها ارایه می دهد، تدوین شده است. لازم به ذکر است که تاکنون برای این نوع ریزپرنده ها روش طراحی مدوّنی وجود نداشته و اغلب طراحی ها بر اساس روش های آماری و سعی و خطا متمرکز بوده اند. تمرکز این پژوهش و روش ارایه شده در طراحی مفهمومی و سایزینگ این ریزپرنده هاست که به تعیین بهینه پارامترهای هندسی بال منجر می شود. این بخش از پژوهش شامل استخراج معادلات دینامیکی و سینماتیکی در حالت های مختلف پروازی همچون بال زدن و گلایدینگ و شبیه سازی فرآیند آنالیز قیدی بر روی این نمونه ریزپرنده ها بر مبنای نوع مأموریت تعریف شده است که این بخش با توجه به جستجوهای انجام شده برای اولین بار بر روی این نمونه از ریزپرنده ها صورت گرفته است. هدف از انجام این شبیه سازی مشخص نمودن فضای طراحی است. تعریف شکل بال های مختلف با الگوگیری از شکل بال پرندگان و آنالیز و مقایسه آن ها با استفاده از تئوری نواری از لحاظ نیروهای لیفت و تراست تولیدی، فرکانس بال زدن و ارایه روش جدید در تخمین وزن از دیگر مواردی است که در سایزینگ مورد توجه است. لازم به ذکر است که برمبنای روش تدوین شده، یک ریزپرنده بالزن از نوع پرنده با طول بال 70 سانتیمتر و وزنی برابر 382 گرم طراحی و ساخته شده و محاسبات مورد نیاز از قبیل آیرودینامیک، کنترل پایداری، طراحی مکانیزم جهت صحت سنجی طراحی اولیه بر روی آن صورت گرفته است. همچنین از جمله جنبه های جدید کار انجام شده در این پروژه، ارایه یک روند جدید در طراحی مفهومی ریزپرنده های بالزن و الگوگیری از پرندگان در طراحی و ساخت این ریزپرنده ها بوده است.

هدف از تحقیق حاضر شبیه سازی جریان سیال در هندسه هایی با ابعاد ریز با استفاده از روش شبکه بولتزمن و توسعه این روش برای جریان هایی با اعداد نودسن بالاست. جریان سیال در هندسه هایی با ابعاد ریز رفتار کاملا متفاوتی با جریان سیال در ابعاد معمول دارد. از جمله خصوصیات این جریان ها می توان به پدیده هایی همچون لغزش بر روی سطوح جامد و رقت گاز در طول میکروکانال اشاره نمود. با توجه به گسترش سیستم های میکرو الکترو مکانیکی در دهه های اخیر، حل عددی مسایل مربوط به میکرو و نانوجریان ها مورد توجه محققان قرار گرفته است. از آنجاییکه روش شبکه بولتزمن بر مبنای تیوری جنبشی گازها استوار است، بنظر می رسد که این روش ابزار بسیار مناسبی برای شبیه سازی این جریان ها باشد. در تحقیق حاضر ضمن بررسی توانایی مدل های مختلف ارایه شده در روش شبکه بولتزمن برای حل میکرو جریان ها، یک مدل جدید برای زمان آرامش پیشنهاد شده است. این مدل مبتنی بر اصلاح زمان آرامش بر اساس ویسکوزیته موثر سیال است که قادر به شبیه سازی جریان در رژیم های لغزشی و گذار می باشد. همچنین، مقدار لغزش محاسبه شده در شرط مرزی پخش مولکولی و شرط مرزی لغزشی- انعکاسی با استفاده از زمان آرامش جدید با مدل های مرتبه بالاتر شرط مرزی انطباق دارد. جهت ارزیابی روش حل، پروفیل سرعت جریان در یک کانال با اعمال اختلاف فشار در دو سر کانال و در گستره اعداد نودسن از 001/0 تا 10 با نتایج دیگر روش های عددی مقایسه شده است که انطباق خوبی بین نتایج وجود دارد. کاهش ابعاد کانال در حدود ابعاد مولکولی، موجب افزایش اثر نیروهای بین مولکولی جامد- سیال بر روی مولکول های سیال در نزدیکی دیواره کانال می شود، که در تحقیق حاضر این موضوع لحاظ شده است. همچنین اثر پدیده رقت در میکروکانال با رسم توزیع فشار در طول کانال نشان داده شده است. تغییرات فشار در طول میکرو کانال بصورت غیرخطی می باشد که با افزایش اختلاف فشار در دو سر کانال، میزان انحراف افزایش می یابد. از دیگر پدیده های شاخص در میکرو جریان ها در رژیم گذار، پدیده مینیمم نودسن است که با رسم نمودار دبی حجمی برحسب عدد نودسن انتهای کانال، در حدود عدد نودسن 1 مشاهده شده است. همچنین نتایج با تیوری دینامیک گازها و روش بولتزمن خطی مقایسه شده است که انطباق بسیار خوبی بین نتایج وجود دارد.

هدف این پایان نامه ارایه یک مدل تصحیح شده از روش شبکه بولتزمن استاندارد برای شبیه سازی جریان های سیال تراکم پذیر می باشد. در این مدل به جای مجموعه سرعت های محدود برای ذرات از یک مجموعه گسترده سرعت ها استفاده شده است که از اضافه کردن سرعت متوسط سیال به یک مجموعه سرعت فازی ذرات به دست می آیند و نشان دهنده مقصد ذرات در روی نقاط شبکه می باشند. مدل مذکور در سطح ماکروسکوپیک و در محدوده وسیع اعداد ماخ منجر به ارضا معادلات پیوستگی و ناویر-استوکس می شود. در این رساله توانایی روش یاد شده با افزودن یک شرط مرزی مناسب برای مرزهای منحنی افزایش یافته و امکان حل جریان های تراکم پذیر بر روی اجسام واقعی نظیر ایرفویل با دقت کافی فراهم شده است. برای بررسی توانمندی های ذکر شده یک برنامه کامپیوتری تدوین شده که با استفاده از آن چندین مساله نمونه مورد بررسی قرار گرفتهاند . در مساله اول عبور جریان با سرعت بالای صوت از روی گوه برای نشان دادن توانایی روش در تشکیل شوک مایل برای ایجاد تغییرات در مسیر حرکت سیال شبیه سازی شده است. در مساله دوّم انعکاس شوک مایل از روی یک دیواره غیرلزج حل عددی گردیده است. دیواره به گونه ای انتخاب شده که بر روی نقاط شبکه نباشد. نتایج حاصل با نتایج مساله مشابه که دیواره بر روی خطوط شبکه می باشد مقایسه شده است که صحت انتخاب شرط مرزی برای مرز منحنی را تایید می کند. در مساله سوّم به شبیه سازی جریان لایه مرزی لایه ای پرداخته شد و ضخامت لایه مرزی حاصل شده با حل بلازیوس مقایسه شده است. در مساله چهارم با حل مساله تداخل شوک مایل با لایه مرزی، توانایی روش در حل جریان های لزج نمایش داده شده است. در مساله پنجم عبور جریان فوق صوت از روی پله معکوس شبیه سازی شده است . دیده شد که این روش توانایی شبیه سازی امواج انبساطی را در گوشه های محدب دارد. در مساله ششم با شبیه سازی مساله عبور جریان از روی یک پله مقابل جریان، قدرت روش در پیگیری شوک ها نمایش داده شد. در ادامه برای نشان دادن توانایی های بیشتر این روش, شبیه سازی سه مساله در مورد عبور جریان بر روی ایرفویل naca 12 با شرایط مرزی مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. در مساله اول جریان لزج با شبیه سازی شده است نتایج حاصل نشان دادندکه روش دارای دقت بسیار خوبی برای حل این گونه مسایل می باشد. در مسایل دوّم و سوّم جریان غیر لزج با و حل عددی شده است نتایج حاصل نشان دادند که روش دارای دقت نسبتا خوبی برای حل این گونه مسایل می باشد.بدین ترتیب نتایج به دست آمده موید توان روش شبکه بولتزمن در شبیه سازی جریان سیال تراکم پذیر لزج و غیر لزج می باشد. نکته قابل ذکر در این روش این است که به علت ثابت بودن زمان آرامش، مطالعه تاثیرات اندازه شبکه در دقت نتایج امکان پذیر نمی باشد.

روش شبکه بولتزمن روشی با مبنای ذره ای-جنبشی است که برای شبیه سازی جریان سیالات مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین مزیت این روش نسبت به روش های سنتی دینامیک سیالات محاسباتی، صریح بودن معادله اصلی حاکم بر آن، سادگی کاربرد آن برای حل مسایل مختلف و قابلیت ذاتی موازی سازی پردازش مسیله می باشد که آن را به روشی مناسب برای شبیه سازی جریان های متنوع و پیچیده سیال تبدیل می نماید. با توجه به ماهیت مبنا ذره ای در روش شبکه بولتزمن ، بررسی رفتار ذرات در مجاورت مرزها جهت تعریف شرایط مرزی مناسب و با دقت بالا همواره در این روش حایز اهمیت بوده است. از طرفی چون این روش عموما با استفاده از شبکه مربعی به تحلیل مسایل سیالات می پردازد، در بررسی هندسه های منحنی شکل و به طورکلی هندسه هایی که بر مرزهای شبکه منطبق نیستند از دقت کافی برخوردار نمی باشد. مسایلی از این قبیل سبب شده است که شرایط مرزی در روش شبکه بولتزمن از اهمیت زیادی برخوردار باشند. تا کنون شرایط مرزی بسیاری خصوصا برای بررسی رفتار ذرات در مجاورت مرزهای جامد جهت افزایش دقت و کارایی این روش توسط افراد مختلف پیشنهاد شدهاند. در این پایان نامه به بررسی شرایط مرزی مختلف ارایه شده در روش شبکه بولتزمن پرداخته شده است. این رساله ضمن ارایه معرفی مختصری راجع به روش شبکه بولتزمن، شرایط مرزی مختلف ارایه شده در این روش را معرفی می نماید و به مقایسه کمی و کیفی آن ها از لحاظ دقت در حل مسایل ساده سیالات می پردازد. در این پایان نامه، عموما بر روی شرایط مرزی عدم لغزش مربوط به دیواره جامد تاکید شده است. همچنین بررسی شرایط مرزی برای سطوح منحنی شکل از دیگر مطالب ارایه شده می باشد. در انتهای این رساله روشی جهت بررسی دقت شرایط مرزی در روش شبکه بولتزمن ارایه شده است و مرتبه دقت چندین شرط مرزی عدم لغزش مورد بررسی قرار می گیرد. لازم به ذکر است که ارایه روشی برای بررسی مرزهای منحنی در روش شبکه بولتزمن و بررسی مقایسه ای آن با دیگر شرایط مرزی موجود در این حالت از جمله نوآوری های این پایان نامه به حساب می آید.

روش شبکه بولتزمن روشی با مبنای ذره ای-جنبشی است که برای شبیه سازی جریان سیالات مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین مزیت این روش نسبت به روش های سنتی دینامیک سیالات محاسباتی، صریح بودن معادله اصلی حاکم بر آن، سادگی اعمال شرایط مرزی گوناگون و قابلیت ذاتی موازی سازی پردازش مسیله می باشد. که آن را به روشی مناسب برای شبیه سازی جریان های متنوع و پیچیده سیال تبدیل می نماید. یکی از مسایل مهمی که در دینامیک سیالات محاسباتی مورد توجه قرار می گیرد، تحلیل حرکت اجسام جامد درون میدان سیال می باشد. با توجه به خصوصیات روش شبکه بولتزمن، این روش ابزار مناسبی برای تحلیل جریان های سیال با مرز متحرک می باشد. در این پایان نامه ابتدا شرایط مرزی مختلف و چگونگی اعمال آنها مورد بررسی قرار می گیرد. برای اعمال شرط عدم لغزش روی دیواره های جامد از شرط مرزی کمانه کردن روی خطوط شبکه استفاده می شود. یکی از مسایل مهم در بررسی حرکت اجسام درون سیال، محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر آن ها است. در این تحقیق، دو روش اصلی محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر اجسام درون سیال یعنی روش انتگرال تنش روی سطح جسم و روش جدید تبادل ممنتوم بررسی می گردند. در تحلیل جریان های پایه مانند جریان ناشی از اختلاف فشار درون کانال و جریان عبوری از روی یک دسته استوانه، مزیت های روش تبادل ممنتوم مانند دقت بالاتر، هماهنگی با ساختار ذره ای روش شبکه بولتزمن و از همه مهمتر سرعت و سهولت استفاده از آن به بررسی می شود. در پایان با استفاده از شرط مرزی کمانه کردن بر روی خطوط شبکه برای اعمال شرط مرزی مرز متحرک روی دیواره جسم و با استفاده از روش محاسبه نیروی تبادل ممنتوم، حرکت یک استوانه متحرک درون کانال هایی با دیواره های ثابت و متحرک ( جریان کویت) و در دو چارچوب مرجع مختلف متصل به استوانه و متصل به دیواره کانال بررسی می شود و نیروهای وارد بر استوانه در هر دو حالت با هم مقایسه شده وگالیله ای نامتغیر بودن روش شبکه بولتزمن بررسی می گردد.

طراحی و ساخت رانر توربین های فرانسیس که در نیروگاههای آبی کاربرد بسیار دارند، دارای پیچیدگیهای تکنیکی ویژه ای میباشد. خصوصاً ساخت پره های رانر که دارای سطوح سه بعدی پیچیده ای هستند، از حساسیت ویژه ای برخوردار است. از جمله مسایل مهم در این زمینه آگاهی از حساسیت عملکرد هیدرودینامیکی رانر به مشخصات هندسی و ابعاد پره ها میباشد. در تحقیق حاضر، به عنوان نمونه یک مدل کامپیوتری از رانر ساخته شده برای نیروگاه آبی سد دز ساخت نمونه رانر توسط شرکت مهندسی سایا انجام پذیرفته است استفاده شده و بدین وسیله یک بستر نرم افزاری با استفاده از نرم افزار فلوینت، برای شبیه سازی جریان سیال در رانر توربین های فرانسیس ایجاد شده است. در این پایان نامه نتایج شبیه سازی ها و محاسبات اولیه انجام شده به منظور تدوین و تنظیم پارامترهای نرم افزار ارایه شده اند. همچنین اثر شرایط مرزی، شبکه ی عددی، هندسه لوله ی خروجی و سایر تنظیماتی که به صورت دلخواه توسط کاربر میتوانند در انجام یک شبیه سازی عددی انتخاب شده و تغییر یابند، به صورت سیستماتیک بررسی شده و نتایج آنها ارایه شده اند. بررسی نتایج تحقیقات به عمل آمده و انجام آزمایشهای عددی، منجر به تدوین یک مدل مبنا به همراه شرایط مرزی و تنظیمات نرم افزاری برای انجام شبیه سازی جریان در رانر توربین فرانسیس شده است. بر اساس مشاهدات تجربی و بررسی ابعادی پره های ساخته شده برای رانر توربین سد دز، مدلهای هندسی متنوعی به صورت نرم افزاری ایجاد شده اند. هر یک از این مدلها با اعمال یک تغییر هندسی در ابعاد پره ی رانر ایجاد شده اند. مشخصات این مدلها و چگونگی ساخت آنها نیز در این پایان نامه ارایه شده اند. همچنین نتایج بدست آمده از شبیه سازی عددی جریان سیال در مدلهای مختلف هندسی ارایه شده و مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته اند. برای سنجش عملکرد هیدرودینامیکی رانر، چند پارامتر مهم نظیر دبی حجمی، گشتاور وارد بر پره ها و نهایتاً بازده رانر، تعریف شده و نتایج بدست آمده برای این پارامترها برای مدلهای مختلف هندسی ارایه و با یکدیگر مقایسه شده اند. بررسی این نتایج نشان می دهد که افزایش یکنواخت ضخامت پره ها و افزایش زبری سطوح رانر بیشترین اثر را بر روی پارامترهای سنجش عملکرد رانر داشته و باعث کاهش محسوس بازده رانر می شوند. این در حالی است که تغییرات هندسی دیگر نظیر تغییر اندازه درز جوش، تغییر ضخامت موضعی پره در نزدیکی لبه های ورودی و خروجی و همچنین وجود اعوجاج در سطح پره در محدوده تغییرات ابعاد هندسی بررسی شده، عملاً تغییر جدی و معنی داری در مشخصه های سنجش عملکرد هیدرودینامیکی رانر ایجاد نمی نمایند. جهت بررسی تاثیر این تغییرات 31 مدل گوناگون ساخته شده و مورد تحلیل قرار گرفت. در پایان این پایان نامه مدل کاملی از رانر توربین با 17 پره ساخته شده که شامل ناحیه ورود جریان سیال و نیز لوله خروجی می باشد. نتایج حاصل از این مدل 17 پره ای نشان داده که مدل یکهفدهم مورد استفاده در شبیه سازی تحقیق حاصل انطباق بسیار خوبی با مدل کامل دارد. بدلیل مشکلات احتمالی در فرآیند ساخت پره های توربین احتمال پیدایش چند تغییر احتمالی بصورت همزمان وجود دارد که این موضوع در این پایان نامه مورد بررسی قرار گرفته است.

در این تحقیق تاثیر نسبت چسبندگی در جریان دوبعدی قطرات شکل پذیر معلق در یک کانال شیب دار به وسیله شبیه سازی عددی در اعداد رینولدز غیر صفر مورد مطالعه قرار گرفته است. جریان تحت اثر شتاب ثقل قرار گرفته است و هیچ گرادیان فشاری در جهت جریان وجود ندارد. در این تحقیق ، تاثیر نسبت چسبندگی بر روی توزیع تعادلی قطرات و انرژی اغتشاشی قطرات به وسیله پارامترهای بی بعد مثل عدد رینولدز، عدد کپیلاری، زاویه شیب کانال و نسبت چگالی مورد بررسی قرار داده شده است. مطالعات انجام شده حاکی از آن است که با افزایش نسبت چسبندگی قطراتی که نزدیک کف کانال و سطح آزاد هستند به سمت مرکز کانال مهاجرت می کنند به گونه ای که فاصله تعادلی قطرات از دیواره کانال افزایش می یابد. انرژی اغتشاشی با افزایش نسبت چسبندگی کاهش می یابد. همچنین تاثیر عدد رینولدز و زاویه شیب سطح در نسبت های چسبندگی بالا بر روی رفتار قطرات مورد بررسی قرار گرفته است. با افزایش عدد رینولدز و یا با افزایش زاویه شیب سطح انرژی اغتشاشی افزایش می یابد. همچنین افزایش عدد رینولدز و یا افزایش زاویه شیب سطح باعث مهاجرت قطرات از لایه های نزدیک به دیواره و سطح آزاد به سمت لایه های مرکزی جریان می گردد. این مهاجرت به گونه ای است که با افزایش عدد رینولدز و یا افزایش زاویه شیب سطح فاصله تعادلی قطرات از دیواره کانال افزایش می یابد.

بهبود انتقال حرارت جوشش که به عنوان یکی از موثرترین و کارآمدترین فرایندهای انتقال حرارت در کاربردهای متنوع مهندسی رخ می دهد، موضوع تحقیقات متعددی در سالهای اخیر بوده است. انتقال حرارت جوشش تحت تأثیر شار حرارتی دیواره، دمای سطح گرم شونده، شکل سطح، خصوصیات سطح و نیز خصوصیات ترموفیزیکی سیال و حضور مواد افزودنی مثل ذرات جامد، معلق سازها و گازهای محلول می باشد. هدف از این تحقیق بررسی ویژگی های جوشش انتقال حرارت نانو سیال نیوتنی آب al2o3 و نانوسیال غیر نیوتنی ذرات al2o3 در محلول cmc و مقایسه با ویژگیهای جوشش آب می باشد. نانوسیالات سوسپانسیونهای شامل نانو ذرات با هدایت حرارتی بزرگتر از سیال پایه و با اندازه هایی کوچکتر از 100 نانومتر می باشند. در تحقیق حاضر غلظتهای وزنی مختلف نانوسیال آب با ذرات ?-al2o3، محلول cmc و نانوسیال غیر نیوتنی ذرات al2o3 در محلول cmc تحت فشار اتمسفریک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج جوشش نانوسیال نیوتنی آب al2o3 نشان می دهند که نانوسیالات بطور قابل توجهی قادر به بهبود عملکرد انتقال حرارت جوشش می باشند. میزان بهبود با افزایش غلظت ذرات افزایش می یابد. آزمایشات جوشش محلول cmc بیانگر تخریب عملکرد انتقال حرارت جوشش با افزایش غلظت cmc به دلیل افزایش ویسکوزیته محلول می باشد. با این وجود افزودن نانوذرات به این محلول غیر نیوتنی موجب بهبود در رفتار جوشش می شود.

جریان حول اجسام پرنده از قبیل هواپیما، موضوع مطالعات بسیاری بوده است که به صورت آزمایش و یا شبیه سازی عددی انجام شده اند. ویژگی این جریان با کاربردهای علمی زیادی ارتباط پیدا می کند. در حال حاضر، با استفاده از نرم افزار تجاری فلوینت، ابتدا جریان بر روی بال سه بعدی onera که داده های تجربی آن در دسترس می باشد شبیه سازی شده است و پس از تایید درستی نتایج بدست آمده از روشی مشابه برای شبیه سازی جریان حول هواپیمای بدون سرنشین آریا که توسط گروه هوافضای دانشگاه صنعتی اصفهان طراحی و ساخته شده است، استفاده می شود. در این نرم افزار روش مورد استفاده برای حل معادلات ناویر- استوکس روش حجم محدود و الگوریتم سیمپل می باشد که به روی شبکه های بدون سازمان اعمال شده است. عدد بی بعد شاخص در این جریان، عدد رینولدز می باشد.در ابتدای بررسی جریان روی هواپیمای مدل ، شرایط مرزی و مکان بهینه آنها بررسی شده و در ادامه بعد از مشخص شدن اندازه میدان جریان در هر دو حالت غیر لزج ولزج، بحث مربوط به مطالعه شبکه برای چهار حالت انجام شده است.در بخش بعدی مدلسازی جریان غیر لزج بر روی هواپیمای آریا انجام شده است. بررسی ضریب فشار در مقاطع مختلف ،ضرایب درگ ولیفت در زوایای حمله مختلف از کارهای انجام شده در این قسمت می باشد.در قسمت بعدی جریان سه بعدی گذرنده مغشوش بررسی شده است. بررسی مدلهای اغتشاشی اسپالارت-آلماراس،k-? استاندارد،rng) k-? )، k-?توسعه یافته و k-? بررسی ضریب فشار در مقاطع مختلف و همچنین ضرایب لیفت و درگ در این مدلها از دیگر کارهای انجام شده در این قسمت می باشد.در آخر مقایسه ضرایب لیفت و درگ برای جریان لزج و غیر لزج ارایه شده است.

چکیده در این پایان نامه به کاربرد روش عددی شبکه بولتزمن در شبیه سازی جریان سیالات غیر نیوتنی و به طورخاص در شبیه سازی جریان خون به عنوان یک سیال غیرنیوتنی پرداخته شده است. این رساله ضمن ارایه معرفی مختصری راجع به روش شبکه بولتزمن، برخی از معادلات ساختاری که برای سیالات غیر نیوتنی ارایه شده را معرفی می نماید. در این بین، معادلات ساختاریی که تاکنون جهت شبیه سازی جریان خون به کار رفته اند بیشتر مورد توجه بوده و در صورت امکان معادله حل تحلیلی این معادلات در جریان داخل کانال یا لوله استخراج شده است. همچنین علت غیر نیوتنی بودن رفتار خون و نقش سلولهای خونی در این امر و پارامتر های موثر در این رفتار، با کمک اطلاعات آزمایشگاهی که توسط محققین دیگر ارایه شده، بیان شده است. در شبیه سازی هایی که به کمک روش شبکه بولتزمن صورت گرفته، ابتدا جریان نیوتنی بین دو صفحه تخت، با شرایط مرزی متفاوت به عنوان مساله نمونه مد نظر گرفته شده و نتایج حل عددی ارایه شده است. در ادامه استخراج معادلات حرکت سیال غیر نیوتنی از معادلات شبکه بولتزمن شرح داده شده و نتایج حل عددی حاصل از شبیه سازی جریان خون، با استفاده از پنج معادله ساختاری غیر نیوتنی ارایه شده است. همچنین اثر پارامتر های مختلف بر دقت و سرعت حل عددی و مقایسه نتایج مدل های مختلف غیرنیوتنی، از دیگر مطالب ارایه شده در این پایان نامه می باشند. در انتها روش برنامه نویسی موازی به کمک روش شبکه بولتزمن تبیین شده و ابزار پردازش موازی نرم افزار matlab معرفی شده است. لازم به ذکر است که کاربرد روش شبکه بولتزمن در شبیه سازی جریان خون به کمک روش شبکه-بولتزمن در دو مدل از پنج مدل مذکور، استخراج معادلات حرکت سیالات غیر نیوتنی از معادلات شبکه بولتزمن و حل عددی جریان غیر-نیوتنی با استفاده از شرایط مرزی سرعت ورودی از جمله نوآوری های این پایان نامه به حساب می آید.

معادلات ناویراستوکس سالهاست که در مکانیک سیالات به عنوان معادلات پایه ای برای حل جریان سیال به کار گرفته می شوند در حدود سه دهه است که معادلات پایه ای تر شبکه بولتزمن از علوم پایه ای فیزیک و ریاضیات کاربردی و وارد علوم مهندسی شده اند. علت این امر نیز نیاز به معادلاتی پایه ای تر برای حل دقیق جریان سیال در ابعاد میکرو و نانو بود. بعد از آن روش شبکه بولتزمن برای حل مسایل مختلف سیالاتی به کار گرفته شده است. سپس در سال های اخیر تلاش های مختلف دانشمندان برای برطرف کردن مشکلات این روش منجر به پیشنهاد روش اصلاح شده ای با نام شبکه بولتزمن چند بلوکی شد . روش شبکه بولتزمن استاندارد با توجه به استفاده از شبکه یکنواخت در کل دامنه حل در مواردی که در نواحی خاصی نیاز به شبکه ریزتر برای کسب دقت بالاتر داشته باشد مجبور می شود که در تمام دامنه حل از شبکه ریزتر استفاده کند این امر موجب بالا رفتن محاسباتی به صورت نمایی بر حسب نسبت ریزی می شود روش شبکه بولتز من چند بلوکی برای حل این مشکل دامنه حل را به بلوک های مجزایی تقسیم می کند هر بلوک دارای اندازه شبکه مستقل از دیگر بلوک هاست بدینوسیله در محل هایی که گرادیان ها شدیدتر است و نیاز به شبکه ریز تر است بدون آنکه اندازه شبکه در دیگر بلوک ها تغییر کند این امر به سادگی محقق می شود. برای اعمال این روش در مکانیک سیالات در کار حاضر از چند مثال محک رایج در سیالات استافده شد ه است هر مثال دارای ویژگی مجزایی است که نیاز به بکارگیری دقت در اعمال صحیح این روش را منجر می شود ابتدا جریان درون یک حفره ناشی از درب متحرک آن حفره بررسی شده است سپس جریان گذرنده از روی مانع دایره ای درون کانال دو بعدی بررسی شده است. در آخر نیز جریان گذرنده از روی پله حل شده است در هر مثال پارامترهای خاص آن مثال به عنوان محک مثال محاسبه شده است. در تمامی این مثال ها تطبیق بسیار خوب نتایج روش شبکه بولتز من استاندارد و افزایش دقت در محاسبات مشاهده شد. برنامه های مذکور در زبان c و matlab نوشته شده اند سرعت فوق العاده حل در زبان c و پیچیدگی در نوشتن برنامه ویژگی این زبان برنامه نویسی است. در مقایسه زمان های اجرای طولانی تر و نوشتن بسیار ساده ویژگی نوشتن برنامه در نرم افزار matlab است

چکیده اپن فوم یک ابزار cfd آموزشی، تحقیقاتی و صنعتی بصورت متن باز است که انواع گسترده ای از برنامه های کاربردی و حلگرها را برای شبیه سازی هایی از جمله جریان تراکم ناپذیر، جریان تراکم پذیر، انتقال حرارت و الکترومغناطیس شامل می شود. در اپن فوم از زبان برنامهنویسی c++ به عنوان زبان پایه استفاده شده است و می توان توسط برنامه نویسی شئ گرا برنامه های موجود را بهبود داده و یا حتی یک نمونه جدید ایجاد کرد. یک شیوه مرسوم در سرعت بخشیدن به محاسبات و کاهش زمان اجرا شبیه سازی ها، استفاده از پردازش موازی بر روی رایانه های پر قدرت و حتی ابررایانه ها می باشد. در عین حال، با افزایش دسترس پذیری به پردازنده های چند هسته ای و فن آوری های جدیدتر gpu، کارایی رو به توسعه و حلگرهای سریع شدیداً به استفاده بهتر از منابع سخت افزاری حاضر نیاز پیدا کرده اند. برای انجام این کار، خصوصاً برای برنامه های سنگین محاسباتی نیاز به استفاده از تکنیک های برنامه نویسی موازی است. در پژوهش حاضر، افزایش سرعت حل در حلگر خطی گرادیان مزدوج پیش شرط شده موسوم به pcg، بکار رفته در برنامه کاربردی icofoam از اپن فوم مد نظر قرار گرفته است. اپن فوم از پروتکل mpi به عنوان مدل برنامه نویسی موازی پیش فرض خود برای سرعتدهی محاسبات استفاده می کند. با بررسی ساختار کد فعلی حلگر pcg در اپن فوم، یک شیوه موازی سازی دو سطحی، برگرفته از هر دو مدل برنامه نویسی موازی حافظه توزیع یافته و حافظه اشتراکی به ترتیب توسط mpi و openmp، پیشنهاد و پیاده سازی شده است. ساختار شیوه حاضر از موازی سازی دانه درشت در بین زیردامنه های مختلف توسط mpi و موازی سازی دانه ریز در سطح حلقه ها در توابع حلگر خطی با استفاده از ساختارهای openmp، تشکیل یافته است. پس از تجزیه دامنه کل شبکه محاسباتی، هر یک از زیردامنه ها با اطلاعات هندسی خاص و مقادیر اولیه خود به هر یک از پردازه های mpi بصورت مجزا اختصاص یافته است. هر یک از زیردامنه ها از طریق دستورات mpi اطلاعات خود را مبادله می کنند. در عین حال، درون هر یک از زیردامنه ها، برخی از بخش های محاسباتی از طریق اجرا بر روی هسته های پردازشی موجود با استفاده از پروتکل openmp، سرعت دهی می شوند. نکته کلیدی در اینجا، استفاده از ویژگی موازی سازی رشته های پردازشی openmp است که اجرای موازی برنامه را بین هسته های پردازشی موجود در هر یک از دستگاه های واحد توزیع می کند. طبق دانش نظری، این امر می بایست سربار ارتباطات غیر ضروری mpi را کاهش دهد و منجر به افزایش عملکرد کد شود. نتایج ما نشان داد که با استفاده از تکنیک برنامه نویسی موازی ترکیبی ارائه شده، تسریع حلگر pcg نسبت به حالت پیاده سازی اولیه mpi بهبود یافت. بر اساس نتایج گزارش شده، نتیجه می گیریم که مدل ترکیبی حاضر یک تکنیک مناسب در بهبود کارایی، هم در اجرای موازی حلگر pcg و هم در بکارگیری تعدد منابع سخت افزاری موجود، می باشد. همچنین با توجه به بحث های مطرح شده در این پژوهش، پیشنهاداتی برای کارهای آتی ارائه شده است.

مطالعه دینامیک جریان های چندفازی-چندجزئی به علت اهمیت اقتصادی و کاربردهای وسیع آنها، در مهندسی مثل صنایع نفت و پتروشیمی، شبیه سازی اسپری ها و دینامیک قطرات و حباب ها و غیره، یکی از مسائل پر اهمیت در مکانیک سیالات است. روش شبکه بولتزمن در سال های اخیر به طرز موفقیت آمیزی به منظور شبیه سازی گستره وسیعی از مسائل جریان چندفازی و محیط متخلخل به کار گرفته شده است. به منظور بررسی صحت برنامه عددی نوشته شده بر پایه مدل انرژی آزاد از آزمونه لاپلاس و تبدیل حباب مربعی به دایره استفاده شده است. در ادامه نشان داده شده است که بر خلاف دیگر مدل های انرژی آزاد مرسوم، مدل انرژی آزاد استفاده شده قادر به حذف اثرات غیرفیزیکی نامتغیر گالیله ای است. به علاوه تغییر شکل و تجزیه قطرات بر اثر جریان برشی ساده به کمک مدل انرژی آزاد شبیه سازی شده است که نتایج نشان می دهد مدل انرژی آزاد قادر است در گستره وسیعی از اعداد رینولدز و کپیلاری این مسئله را به خوبی شبیه سازی کند. به منظور بررسی عملکرد مدل شان-چن، آزمونه تبدیل حباب مربعی برای این مدل نیز انجام شده است. مدل شان-چن اصلی شامل محدودیت های بسیاری است که به صورت خاص می توان به محدودیت آن در تنظیم کشش سطحی و لزجت در یک بازه وسیع نام برد. با توجه به این محدودیت، نشان داده شده است که مدل شان-چن قادر نیست که در یک گستره وسیع اعداد رینولدز و کپیلاری ، تغییر شکل قطره در معرض جریان برشی را شبیه سازی کند. از نظر دقت و پایداری، مدل انرژی آزاد به مراتب وضعیت بهتری نسبت به مدل شان-چن دارد.

شبیه سازی جریان های چندفازی یکی از مسائل چالشی در مهندسی و صنایع مختلف می باشد. در این پژوهش مدل شبه پتانسیل شان- چن با معادلات حالت مختلف بررسی شده است. به کمک این روش و با استفاده از معادله ی حالت کارناهان-استارلینگ چندین شبیه سازی رایج از جمله آزمون لاپلاس، به هم آمیختگی حباب ها، قطره ی مکعبی و جدایی خودکار فازها در نسبت چگالی بالا (800 و 8400) مورد ارزیابی قرار گرفته اند. همچنین فرایند برخورد قطره با سطح جامد نیز مدل شده است. نتایج این شبیه سازی ها عملکرد بسیار خوب مدل شبه پتانسیل شان- چن در نسبت چگالی بالا را نشان می دهند. ولی معایبی نیز از جمله نوسانات سطح مشترک به همراه دارد. همچنین با افزایش نسبت چگالی نوسانات سطح مشترک و زمان همگرایی به شدت افزایش می یابد.

در جریان های مغشوش ناپایداری جریان باعث مخلوط شدن سریع ذرات و افزایش نرخ انتقال حرارت، مومنتوم و جرم می شود. به دلیل وجود نوسانات در کمیت های مختلف جریان مغشوش نمی توان جریان را از طریق معادلات حاکم بر جریان آرام حل نمود. در یکی از متداول ترین روش های تحلیل جریان مغشوش، با در نظر گرفتن هر یک از متغیرهای جریان به صورت مجموع دو بخش متوسط و نوسانی، می توان معادلات حاکم متوسط گیری شده بر جریان مغشوش را به دست آورد. لذا در معادلات حاکم مجهولات جدیدی شامل متوسط حاصل ضرب کمیت های نوسانی ظاهر می گردد. حاصل ضرب این کمیت های نوسانی که در معادله مومنتوم، تنش های رینولدز و در معادله اسکالر، شار مغشوش نامیده می شود، با استفاده از مدل های جریان مغشوش بر اساس متغیرهای اولیه بیان مسئله بیان می شوند. هدف از این تحقیق بررسی عملکرد مدل های مختلف شار مغشوش و تنش رینولدز در جریان های احتراقی است.

چکیده ندارد.

دراین پایان نامه شبیه سازی جریان مغشوش بوسیله روش شبکه بولتزمن بررسی شده است.این پایان نامه شامل 6 فصل ‏می باشد.فصل اول مقدمه و فصل دوم روش های مبنا ذرهای حل جریان سیال(روش شبکه گاز و روش دینامیک مولکولی ‏‏) معرفی می شوند. در فصل سوم روش شبکه بولتزمن به عنوان فرم کامل شده روش شبکه گاز بررسی می شود. در این فصل ‏نحوه گسسته کردن معادله بولتزمن و فضای فاز توضیح داده می شود. در فصل 4 انواع شرایط مرزی و تاثیر آن بر دقت ‏روش بررسی می شود. در فصل 6 برای مدل کردن جریان مغشوش از شبیه سازی ادی های بزرگ(‏les‏) استفاده شده ‏است. مدل اسماگورینسکی برای محاسبه ویسکوزیته ناشی از ادی ها اعمال شده است. سپس برای بالا بردن دقت شبیه ‏سازی از روش شبکه بولتزمن با ضریب برخورد چند تایی استفاده می شود. در ادامه بدلیل بالا بودن هرینه محاسبات روش ‏چند بلوکی بکارگرفته می شودتا تعداد نقاط شبکه کمتری وارد دامنه حل شود.‏ در شبیه سازی هایی که به کمک روش شبکه ‏‎ ‎بولتزمن صورت‎ ‎گرفته، ابتدا جریان 3 بعدی حول یک مکعب و جریان 3 ‏بعدی خروجی ازیک جت بوسیله مدل اسماگورینسکی حل میشود. سپس ضریب برخورد چند تایی(‏mrt‏)‏‎ ‎در جریان ‏مغشوش دو کانال متقاطع برای افزایش دقت محاسبات بکار می رود. در ادامه جریان فوق بوسیله روش چند بلوکی وmrt‏ ‏شبیه سازی می شود.‏‎ ‎‏ لازم بذکر است اثبات لزوم استفاده از ‏mrtدر شبکه بولتزمن چندبلوکی در حالت جریان آشفته، از ‏نوآوری های این پایان نامه محسوب می شود.‏

شبیه سازی جریان مخلوطی از گازها از روی یک بستر فشرده ذرات کروی در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است. الگوریتم هایی برای شبیه سازی بستر فشرده با ذرات کروی از چند گستره قطر ارائه شده وبا استفاده از یک روش بهینه سازی خطی، ذرات ناپایدار در ساختار بستر تشخیص داده شده اند. برای شبیه سازی جریان چندجزئی در داخل این هندسه پیچیده، از یک مدل شبکه بولتزمان استفاده شده است. بازیابی معادلات ناویر-استوکس و استفان-ماکسول توسط این مدل اثبات شده و شرایط مرزی مورد نیاز برای شبیه سازی با استفاده از این مدل مورد بحث قرار گرفته اند. بر مبنای تحلیل معادلات بقای جرم و مومنتم در مرزهای ورودی، یک شرط مرزی در ورودی و خروجی برای جریان های چندجزئی پیشنهاد شده است. همچنین، کاربرد توابع درونیاب نقطه ای شعاعی برای محاسبه خواص سیال از روی شبکه های مورد استفاده در شبیه سازی مورد مطالعه قرار گرفته است. با استفاده از این روش ناکارآمدی تکنیک های قبلی در مواجهه با هندسه های پیچیده برطرف شده است. اعتبار نتایج حاصله، با مقایسه آنها با نتایج شبیه سازی جریان تک جزئی معادل و یا با جواب های تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است.

در این پایان نامه مبانی نظری روشهای شبکه گاز و شبکه بولتزمن ارائه و نشان داده شده که روشهای مذکور در سطح ماکروسکوپیک و در محدوده اعداد ماخ کوچک منجر به ارضای معادلات پیوستگی و ناویر استوکس می گردند. روش عددی شبکه بولتزمن تشریح گردید و چگونگی اعمال شرایط مرزی در این روش تشریح شد. همچنین روش جدیدی برای اعمال شرایط مرزی انتهای کانال ارائه و مورد آزمایش قرار گرفته است.در خاتمه ، کلیه نتایج بدست آمده با نتایج نظری و کارهای سایرین مقایسه گردید که توافق نتایج خوب بوده و کاربرد روش شبکه بولتزمن در محدوده های تعیین شده تائید گردید.

گستردگی کاربرد توربین گازی بر کسی پوشیده نیست. در این نوع توربین ها سه مرحله اصلی وجود دارد یکی از این مراحل انتقال انرژی گرمای به سیال عامل می باشد که در محفظه احتراق رخ می دهد . در کار حاضر طرحی برای تغییر در هندسه یک نوع محفظه احتراق جهت بهبود شرایط کار کرد در آن ارائه شده است و اثرات این تغییر بر روی پارامترهای اساسی محفظه مورد بررسی قرار گرفته است. محفظه احتراق از نوع صنعتی بوده و در شکل اصلی دارای یک زانو بوده است .حفظه در شرائط کارکرد ، دچار پوسیدگی در ناحیه زانو شده است. برای رفع این مشکل در طرح اصلاحی این زانویی حذف شده است. در واقع کار اصلی مقایسه این دو طرح است. برای این مقایسه از یک حل عددی استفاده شده است. با توجه به دبی بالا هوا جریان متلاطم است. برای مدل کردن جریان مغشوش از مدل دو معادله ای اصلاح شده استفاده شده است که برای جریان چرخشی مناسب باشد. برای مدل کردن احتراق معادله انتقال برای تمامی نمونه های جرمی حل شده و نرخ واکنش از روش تلفات گردابه ای بدست آمده است. اثرات تشعشع با حل یک معادله انتقال برای شدت تشعشع در نظر گرفته شده است.پس از بدست آوردن پارامترهای محفظه قبل و بعد از تغییر ومقایسه آنها می توان نتیجه گرفت اگر چه طرح اصلاحی در زمینه افت فشار و راندمان احتراق در محفظه بهبودهای را در بر دارد و لیکن به علت شکل هندسی توزیع دما در خروجی ، حالت یکنواخت خود را از دست داده است. این مسئله بسیار با اهمیتی است و باید مورد توجه خاص قرار بگیرد زیرا دمای خروجی محفظه باید در گستره محدودی باشد که پره ها و محفظه توربین مجاز به کارکرد می باشند. البته اهمیت یکنواختی دما در کاربرد مشخص می شود که در صورت یکنواخت بودن دما با داشتن دما در یک نقطه می توان در کل سطح خروجی دما را دانسته فرض کرد . نتیجه نهایی این که تغییر هندسه بدون تغییر در سایر قسمتهای محفظه ریسک بزرگی است و ممکن است مخارج سنگین خرابی توربین را در بر داشته باشد. در پایان روشهایی برای بهبود شرایط پیشنهاد شده که البته هرکدام باید در مورد این محفظه خاص مورد بررسی قرار بگیرد.

هدف این رساله بررسی و تحلیل احتراق در پلوم نازل مافوق صوت می باشد. در این رساله یک کد کامپیوتری برای حل معادلات ناویراستوکس در دو حالت دوبعدی و متقارن محوری به همراه معادلات پیوستگی نمونه های جرمی می باشد. در این روش با استفاده از مدل آرنیوس و تغییرات انرژی آزاد گیبس ثابتهای رفت (پیشرو) و برگشت واکنش ها بدست می آیند و نهایتا نرخ پیشرفت هر واکنش تعیین و از آنجا نرخ تولید و یا مصرف کلیه نمونه های شیمیایی در مجموعه واکنشها محاسبه می شوند. از روش تجزیه شارون لییر مبتنی بر یک روش حجم کنترل برای گسسته سازی معادلات استفاده شده و با دو روش صریح و ضمنی حل شده اند. برنامه کامپیوتری حاضر از کد ‏‎sharp‎‏ به عنوان اسکلت اصلی استفاده کرده است. اطلاعات ترمودینامیکی کلیه نمونه ها از روی داده های ‏‎chemkin‎‏ استفاده شده است.