بحث پیرامون ویژگی فازهای سیال و جامد، در بسیاری از جریان های غیر هم دما در محیط های متخلخل بسیار ضروری است. در پایان نامه حاضر اثر تغییر ناگهانی دما در مرز x=0 و همچنین اثر ترم تولید گرما بر ایجاد شرایط عدم تعادل حرارتی در یک محیط متخلخلِ نیمه بینهایت مورد بررسی قرار می گیرد. در غیاب جریان سیال، معادلات انرژی در حالت گذرا و در وضعیت عدم تعادل حرارتی محلی در حضور ترم تولید گرما، به عنوان معادلات حاکم مورد استفاده قرار می گیرند. معادلات حاکم جزئی در هر فاز بی بعد شده و سپس با استفاده از روش های عددی حل شده اند. برای محاسبه مشتقات جزئی روش اختلاف محدود فشرده و برای پیشروی در زمان، روش رانج کوتای مرتبه چهار بکار گرفته شده است. همچنین برای تست و معتبر سازی نتایجِ نرخ انتقال حرارت در زمان های خیلی دور و نزدیک، روش تقریبی اغتشاشات استفاده شده است. در هنگام کار با روش اغتشاشات معادلاتی ظاهر می شوند که برای حل آن ها روش عددی پرتابی بکار گرفته شده است. نرخ انتقال حرارت بین فازها در وضعیت های مختلف در قالب گراف های متنوع نشان داده شده است. نتایج نشان می دهند، اثر تغییر ناگهانی دما در مرز محیط و اثر ترم تولید گرما پس از گذشت زمان مهار شده و گرادیان های حرارتی هر دو فاز بر اثر ایجاد شرایط تعادل حرارتی محلی در یک مقدار ثابت بر هم منطبق خواهند شد. در این زمان گراف های گرادیان حرارتی با یک مقدار ثابت و شیب صفر به سمت بینهایت حرکت می کنند. همچنین با تعریف پارامترهای بی بعد و بررسی تغییرات آن ها، نتایج مختلفی در رفتار گرادیان های حرارتیِ فازها حاصل می شود، که به تفضیل آمده است.

در مطالعه حاضر یک حل تحلیلی دقیق برای انتقال حرارت پایدار و ناپایدار دو بعدی در لمینیت های استوانه ای کامپوزیتی ارائه گردیده است. لمینیت مورد نظر استوانه ای شکل بوده و رشته ها به دور استوانه پیچیده شده اند، همچنین راستای رشته ها در هر لایه می تواند با لایه های دیگر متفاوت باشد. در این تحقیق بر روی انتقال حرارت متقارن محوری با در نظر گرفتن هدایت در جهت طولی و شعاعی تمرکز کرده ایم. شرایط مرزی حرارتی اعمال شده به صورت کلی و شامل اثرات هدایت، جابجایی و تشعشع در مرزهاست. یافتن کلی ترین حل ممکن بر مبنای شرایط مرزی پیچیده یکی از مهمترین نوآوری های مطالعه حاضر است. به منظور حل مساله در حالت پایدار، ابتدا با استفاده از تئوری اشترم-لیوویل تبدیل فوریه مناسب بدست آمده است سپس با استفاده از این تبدیل، معادله دیفرانسیل جزئی هدایت در استوانه به یک معادله معمولی تبدیل شده است. به دلیل تغییر زاویه الیاف در هر لایه، یک دستگاه معادلات برای ضرایب تبدیل فوریه بر اساس شرایط مرزی داخل و خارج استوانه و همچنین پیوستگی شار و دما در مرز بین لایه ها بدست آمده است، که این دستگاه معادلات با استفاده از الگوریتم توماس حل گردیده است و نهایتا با اعمال تبدیل فوریه معکوس توزیع دمای نهایی بدست آمده است. در حالت ناپایا حل کمی پیچیده تر است زیرا ابتدا بایستی با استفاده از تبدیل لاپلاس مساله را از حوزه زمان به مکان منتقل نمود و سپس مشابه حالت پایدار به ساخت تبدیل فوریه مناسب و حل مساله پرداخت؛ جواب بدست آمده در حوزه مکان با استفاده از تبدیل لاپلاس معکوس به حوزه زمان منتقل می شود که با توجه به پیچیدگی انتگرال حاصل از روشی موسوم به روش توابع مرومرفیک برای محاسبه لاپلاس معکوس استفاده شده است. در پایان با ارائه مثال های کاربردی مثل مخزن انبارش، پین فین و لوله خنک کن راکتور هسته ای با شار حرارتی متغییر سینوسی در جهت طولی ، به بررسی اثر تغییر زاویه الیاف روی توزیع درجه حرارت در لایه های کامپوزیتی پرداخته شده و نشان داده شده است که توزیع درجه حرارت برای هر لایه کامپوزیتی با زاویه الیاف دلخواه بین توزیع درجه حرارت برای زوایای و قرار دارد.

در مطالعه حاضر، انتقال حرارت جابجایی آزاد در محیط متخلخل به صورت عددی و با استفاده از روش حجم محدود مورد بررسی قرار گرفته است. در این شبیه سازی، فرض بر آن است که یک فرایند بیوشیمیایی غیر هم دما در محیط صورت گرفته که منجر به تولید گرما در محفظه می-گردد. این گرما تابعی از غلظت حل شده در محیط است. به منظور بیان نرخ رشد و مصرف غلظت ها از مدل مونود استفاده شده است. دیواره های عمودی محیط مورد نظر دما ثابت و دیواره-های پایینی و بالایی، عایق می باشند. مساله در دو حالت متمایز مورد بررسی قرار می گیرد. در حالت اول به بررسی محیط متخلخل غیرهمگن در حالت تعادل حرارتی پرداخته شده و محیط متخلخل غیر همگن با تقسیم محیط به سه لایه با ضرایب تخلخل متفاوت مدل سازی می شود. در این حالت اثر تغیرات ضریب تخلخل بر روی انتقال حرارت، گرمای تولیدی، جریان سیال و انتفال جرم بررسی شده و نتایج با حالت ضریب تخلخل ثابت مقایسه می گردد. در حالت دوم محیط متخلخل همگن با فرض عدم تعادل حرارتی، با خصوصیات فیزیکی ثابت و گرمای تولیدی در فاز سیال، مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین خطوط جریان، دما و غلظت برای مقادیر مختلف اعداد بدون بعد رسم شده و دمای سیال و جامد در مرکز حفره و روی خط فرضی عمودی واقع در مرکز حفره محاسبه شده است. سیال درون محفظه تراکم ناپذیر و نیوتنی بوده، از مدل دارسی برای بیان معادله مومنتوم و از فرض بوزینسک برای بیان تغییرات دانسیته استفاده شده است. جریان سیال دوبعدی و غیرپایا می باشد.

در این پایان نامه، لایه مرزی جابجایی طبیعی از سطوح مایل در محیط متخلخل اشباع در حضور تولید گرما مورد بررسی قرار می گیرد. دمای صفحه متغیر بوده و بالاتر از دمای محیط قرار دارد. مسئله برای دو نوع تولید حرارت حل می شود. در حالت اول، تولید حرارت به صورت تابع نمایی تغییر کرده و در حالت دوم تابعی توانی از دمای بی بعد فرض می شود. تخمین دارسی-بوزینسک برای محاسبه نیروی شناوری لحاظ گردیده است. یک پارامتر انحراف مورد استفاده قرار گرفته تا همه موارد صفحات افقی، عمودی و مایل با یک دستگاه از معادلات لایه مرزی تبدیل یافته توصیف شود. معادلات دیفرانسیل پاره ای سهموی کوپل شده غیر خطی، به صورت عددی با استفاده از یک روش تفاضل محدود ضمنی موسوم به روش جعبه ای کلر برای هر دو حالت انحراف مثبت و منفی صفحه حل می گردد. در ضمن، معادلات تشابهی برای موارد حدی صفحات افقی و عمودی به ترتیب با مقدار دهی صفر و یک به پارامتر انحراف در معادلات انتقالی پوشش داده می شوند. در حالت انحراف مثبت حل تمام زوایای صفر تا 90 درجه را شامل می شود، اما در حالت انحراف منفی، حل تا نقطه ای که در آن جدایش روی می دهد، ادامه می یابد. نتایج جزئی برای ضریب اصطکاک پوسته-ای و عدد ناسلت و نیز پروفایل های سرعت بی بعد و دمای بی بعد برای انحرافات مثبت و منفی صفحه بیان می گردد. مشاهده می شود که تولید گرما در محیط متخلخل باعث تغییر در شیب پروفایل های دما و سرعت، و در نتیجه مقادیر ضریب اصطکاک پوسته ای و عدد ناسلت می شود. طوری که در بعضی موارد حتی جهت انتقال حرارت نیز تغییر می کند. از سویی دیگر مطابقت شگفت انگیزی بین حل عددی حاصل و حل های تشابهی برای سطوح افقی و قائم هر یک از مسائل مشاهده می گردد.

نانوسیال بوسیله معلق سازی پایدار نانوذرات در سیال پایه تولید می شود. در این پروژه انتقال حرارت جابجایی و افت فشار نانوسیالات آلومینا/آب و تیتانیا/آب درون یک لوله افقی به صورت تجربی بررسی شده است. به همین منظور، یک حلقه جریان برای انجام آزمایشات ساخته شده که شرط مرزی در نظر گرفته شده برای بخش آزمایش سیستم، شار حرارتی ثابت در جداره است. نانوذرات al2o3 با اندازه 40 نانومتر و همچنین نانوذرات tio2 با اندازه 15 نانومتر تهیه شده و با تعلیق پایدار در آب مقطر در غلظت های 0.1%، 0.5%، 1%، 1.5% و 2% نانوسیالات تولید شده اند. نتایج بررسی ها، بیانگر افزایش انتقال حرارت و عدد ناسلت با استفاده از نانوذرات در سیال پایه است و این بهبود در انتقال حرارت با افزایش غلظت حجمی افزایش می یابد. حداکثر افزایش عدد ناسلت برای نانوسیال آلومینا/آّب در 2% حجمی و در رینولدز 13500 در حدود 22% مشاهده می شود. این در حالی است که بیشترین افزایش برای نانوسیال تیتانیا/آّب در رینولدز 11800 تقریباً 8% می باشد. ضمناً حلقه جریان به گونه ای طراحی شده که اختلاف فشار دو سر جریان نانوسیال نیز با یک دستگاه اندازه گیر دیفرانسیلی فشار اندازه گیری می-شود. افت فشار اندازه گیری شده با استفاده از نانوسیالات تقریباً برابر با سیال پایه می باشد. همچنین این آزمایش برای آب به عنوان سیال پایه نیز انجام گردید و نتایج آنها با یکدیگر مقایسه شده است. علاوه بر این، داده های تجربی با نتایج حاصل از پیش بینی های انتقال حرارت و افت فشار تک فاز در جریان درهم مقایسه شده است. به طور کلی نتایج بررسی ها نشان از پیش بینی ضریب انتقال حرارت جابجایی و افت فشار نانوسیالات با دقت مناسب بوسیله معادلات تک فازی موجود دارد. این نتیجه به شرطی امکان پذیر است که از خواص اندازه گیری شده هدایت حرارتی و ویسکوزیته که وابسته به دما و غلظت نانوذرات هستند، در محاسبه پارامترهایی چون عدد رینولدز، پرانتل و ناسلت استفاده شود.

برج های خنک کن جابجایی طبیعی خشک یکی از متداول ترین برج ها در نیروگاههای موجود در مناطق کم آب می باشند. یکی از مهمترین عواملی که در رابطه با عملکرد این برج ها همواره مورد توجه بوده است اثر شرایط محیطی بویژه وزش باد است که باعث کاهش بازدهی برج ها می گردد و به دلیل ارتفاع و قطر زیاد اثر باد بر سازه برج حائز اهمیت می باشد. جهت بررسی این اثر می توان از روش های عددی، تجربی و میدانی استفاده نمود.هر کدام از این روشهادارای مزایا و معایب مربوط به خود بوده و مکمل هم می باشند. در این پایان نامه در ابتدا با مدلسازی یک برج خنک کن، به صورت تجربی تاثیر باد بر عملکرد برج های خنک کن جابجایی طبیعی خشک بررسی شده و توزیع فشار داخلی و خارجی بررسی می گردد. در ادامه اثر تزریق گاز برای جلوگیری از اثر نامطلوب وزش باد مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین با قرار دادن المان های زبری تاثیر آنها بررسی می شود. در ادامه برج خنک کن جابجایی طبیعی به صورت عددی (به کمک نرم افزار fluent) مدل شده و اثر باد بر عملکرد برج بررسی می شود. در انتها برای بهبود عملکرد برج تحت شرایط وزش باد، استفاده از تزریق دود در داخل برج برای حالتهای مختلف حل می شود و همچنیین پارامترهای دما، دبی، ارتفاع دودکش و قطر دودکش بررسی می شود. نتایج بدست آمده بیان کننده این مطلب است که تزریق گاز می تواند عاملی جهت بهبود عملکرد آنها تحت شرایط وزش باد باشد. همچنین می تواند باعث کاهش غلظت دود قبل از تخلیه به اتمسفر باشد.

یکی از پرکاربردترین روش های خلاء سازی در بخش تحقیقات و صنعت، استفاده از اجکتورها می-باشد. علاوه بر مزایایی چون عملکرد ساده اجکتور و در دسترس بودن سیال عامل (معمولا آب)، استفاده از انرژی های با ارزش گرمایی پایین و همچنین انرژی های بلااستفاده، موجب برتری سیستم های سرمایش تبخیری نسبت به سیستم های تبرید تراکمی شده است. در این پایان نامه، با حذف کمپرسور از سیستم های تبرید تراکمی و جایگزینی مجموعه اجکتور، به بررسی عملکرد اجکتور سیستم سرمایش تبخیری پرداخته می شود. به این ترتیب، هزینه های اولیه و جاری ایجاد سرمایش کاهش می یابد. در ابتدا با استفاده از مدل سازی ریاضی و حل یک بعدی معادلات حاکم بر جریان داخل اجکتور، به محاسبه فشار بحرانی کندانسور، تأثیر شرایط مرزی و برخی خواص جریان پرداخته می شود. در ادامه جزئیات بیشتری از جریان و همچنین تأثیر هندسه اجکتور روی ضریب عملکرد سیکل سرمایش، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) محقق می شود. در پایان با مدل سازی پدیده ی چگالش در شیپوره همگرا- واگرا که مشابه نازل اولیه اجکتور است، به بررسی تأثیر شوک چگالش بر خواص جریان گذر صوتی داخل شیپوره مذکور پرداخته می شود. نتایج حاصله از روش های ارائه شده در این پایان نامه در مقایسه با داده های تجربی، از تطابق خوبی برخوردار است. بررسی جریان چگالشی دوفازی، تغییرات چشمگیری را در شرایط خروجی نازل، نسبت به جریان تک فاز نشان می دهد.

در تحقیق حاضر، مدل سازی سه بعدی جریان و انتقال حرارت سیال ویسکوالاستیک در حال توسعه در کانال های مستطیلی با استفاده از معادلات متشکله غیر خطی مدنظر قرارگرفته است. به علت وجود خواص فیزیکی متفاوت سیالات ویسکوالاستیک با سیالات نیوتنی، برخی پدیده های خاص در جریان این گونه سیالات اتفاق می افتد که معادلات حاکم بر سیالات نیوتنی قادر به مدل سازی صحیح جریان این سیالات و پدیده های واقع در آنها نمی باشد. از این رو جهت تحلیل و مدل سازی این سیالات، معادلات متشکله گوناگونی پیشنهاد شده است که در تحقیق پیش رو از برخی از آنها استفاده شده است. یکی از پدیده های متفاوت در جریان سیالات ویسکوالاستیک، تشکیل جریان های ثانویه در مقاطع عمود بر جریان اصلی کانال های غیر دایروی می باشد که انتظار می رود این جریان-های ثانویه با بالا بردن شدت جریان های عرضی در کانال، باعث افزایش انتقال حرارت و جرم در جریان سیال شوند. تا کنون تحقیقات بی شماری در زمینه جریان سیال ویسکوالاستیک در هندسه ها و شرایط متفاوت با استفاده از روش های عددی، تحلیلی و یا تجربی انجام شده است ولی اکثر تحقیقات انجام شده معطوف به ناحیه توسعه یافته جریان می باشد و از ناحیه در حال توسعه جریان تحقیق جامعی منتشر نشده است. از این رو علاوه بر حل سه بعدی جریان، تحلیل و بررسی ناحیه در حال توسعه نیز به صورت خاص مدنظر قرار گرفته است. لازم بذکر است که با توجه به اینکه گروه کثیری از سیالات ویسکوالاستیک، مذاب های پلیمری می باشند و در این حالت تفاوت دمایی زیادی در جریان سیال مشاهده می شود و همچنین با توجه به حساسیت برخی خواص مواد ویسکوالاستیک به دما، حل معادله انرژی به همراه معادلات جریان لازم به نظر می رسد. از طرف دیگر برخی از خواص سیال همچون لزجت، ضریب رسانش حرارتی، ظرفیت حرارتی ویژه و همچنین ضریب آسودگی از تنش، تابعی از دما در نظر گرفته شده و با تغییرات دما در نقاط مختلف کانال تغییر می کنند. از این رو در تحقیق حاضر علاوه بر حل همزمان معادله انتقال حرارت به همراه معادلات جریان، برخی از خواص سیال نیز به صورت تابعی از دما در نظر گرفته شده اند. البته در نهایت سعی شده است با تعریف دمایی میانگین به عنوان دمای مرجع و محاسبه کمیت های فوق در این دما، خطای موجود از فرض ثابت بودن کمیت ها را به حداقل رسانده و از تعریف تابع دمایی برای کمیت های مذکور صرف نظر شود. همچنین در قسمتی از این تحقیق با در نظر گرفتن وابستگی دانسیته سیال به دما، اثر جابجایی آزاد نیز در مکانیزم انتقال حرارت بررسی شده است. جهت مدل سازی عبارت تنش از معادله متشکله فن تین تنر که یک معادله غیر خطی بوده و شامل اثرات الاستیک و نازک شوندگی ویسکوزیته می باشد، استفاده شده است. لازم به ذکر است که در تحقیق حاضر، عدم تطابق شرایط حاکم با شرایط اولدروید احراز شده که در این صورت جریان های ثانویه قادر به مدل سازی می باشند. همچنین در این تحقیق از معادلات متشکله دیگری نیز جهت مدل سازی عبارت تنش استفاده شده است که در ادامه توضیحات در مورد این معادلات متشکله و نتایج بدست آمده از آنها بحث خواهد شد. معادلات حاکم بر مسئله مورد نظر، معادلات بقا به همراه معادله متشکله بوده که گسسته سازی این معادلات با استفاده از روش تفاضل محدود و بر روی یک شبکه جابجاشده صورت پذیرفته است. در این حالت برای رهایی از تعریف شرط مرزی فشار، مقادیر فشار را برروی شبکه داخلی تعریف نموده که در این صورت نیازی به تعریف شرط مرزی برای فشار در مسئله به وجود نمی آید. بقیه مقادیر و پارامترهای مسئله نیز به صورت مشترک برروی شبکه داخلی و خارجی تعریف می شوند. پس از گسسته سازی، جهت حل معادلات حاکمه از روش تراکم پذیری مصنوعی که در نهایت منجر به حل صریح معادلات می گردد و یک ارتباط دوطرفه بین معادلات پیوستگی و مومنتوم برقرار می نماید، استفاده شده است. این روش که مخصوص حل معادلات در حالت دائم می باشد، با اضافه نمودن یک ترم متغیر با زمان به معادلات، آنها را در ظاهر به صورت گذرا تبدیل نموده ولی در نهایت با رسیدن به حل دائم مسئله، ترم های اضافه شده به سمت صفر میل کرده و جواب دائم مسئله که مورد نظر این تحقیق می باشد به دست می آید. شرایط مرزی هیدرودینامیکی و حرارتی مسئله برروی مرزهای ورودی وخروجی، دیواره ها و همچنین مرزهای تقارن طبق اصول مکانیک سیالات و انتقال حرارت در نظر گرفته شده است و همچنین مسئله با دو شرط مرزی حرارتی دمای دیواره ثابت و شار حرارتی ثابت به دیواره ها، مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که گفته شد، حل جریان ویسکوالاستیک در حال توسعه جزو نوآوری های انجام شده در این تحقیق می باشد و علاوه بر آن حل همزمان معادله انرژی به همراه معادلات جریان و فرض خواص تابع دما و همچنین بررسی اثر مکانیزم جابجایی آزاد در انتقال حرارت جریان سیال نیز از دیگر نوآوری های انجام شده در این تحقیق به حساب می آید. لازم به ذکر است که علاوه بر نتایج مربوط به محدوده در حال توسعه، اثر برخی از پارامترهای بی بعد بر جریان و انتقال حرارت نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج از تطابق خوبی با نتایج تحقیقات دیگر در این زمینه برخوردار می باشد.

بررسی جریان سیال و انتقال حرارت در مواد متخلخل دارای کاربردهای متنوعی در زمینه های مختلف صنعتی می باشد. برای مدلسازی صحیح جریان در داخل ماده متخلخل، مدل های مختلفی ارائه شده است. بر همین اساس علاوه بر تحقیقات آزمایشگاهی در این زمینه، تحلیل های تحلیلی و عددی بسیاری در این خصوص بر این مدل ها صورت گرفته است. در این تحقیق، جریان سیال و انتقال حرارت جابجایی آزاد در یک محفظه دارای لایه متخلخل مورد بررسی قرار می گیرد. هدف از پژوهش حاضر، بررسی الگوی جریان و انتقال حرارت در موقعیت های مختلف لایه متخلخل و نیز اثر ضخامت لایه متخلخل بر انتقال حرارت می باشد. برای این منظور، مدل تعمیم یافته ناویر- استوکس به کار گرفته شده است تا اثر تمام نیروهای وارد بر سیال از طرف ماده متخلخل در نظر گرفته شود. بر خلاف اکثر تحقیقات گذشته که در حل عددی خود از روش های رایج دینامیک سیالات محاسباتی استفاده کرده اند، در این پژوهش از روش شبکه بولتزمن استفاده شده است. از جمله مزایای این روش می توان به تولید شبکه آسان و کم هزینه، سرعت همگرایی مناسب در مقایسه با سایر روش های عددی و توانایی این روش در مدلسازی صحیح جریان در مرز بین سیال و لایه متخلخل اشاره کرد. در کد عددی حاضر پس از بررسی استقلال از شبکه محاسباتی، به بررسی صحت نتایج حاصل از حل عددی پرداخته شد. به این منظور، نتایج بدست آمده در سه حالت مختلف با نتایج عددی گزارش شده در این زمینه مقایسه شدند. مقایسه نتایج این پژوهش با نتایج عددی منتشر شده قبلی نشان می دهد که این روش از دقت بالایی برخوردار می باشد. سپس به بررسی اثر موقعیت و ضخامت لایه متخلخل بر الگوی جریان و انتقال حرارت جابجایی آزاد پرداخته شده و اثر پارامتر هایی نظیر عدد رایلی، عدد دارسی، ضریب تخلخل ماده متخلخل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد، لایه متخلخل به مقدار زیادی بر میزان حرارت منتقل شده از محفظه تأثیر می گذارد. همچنین با تغییر عدد دارسی و یا به عبارتی عدد رایلی اصلاح شده در لایه متخلخل، رژیم های مختلف انتقال حرارت در این لایه مشاهده می شود. بعلاوه با مقایسه موقعیت های مختلف لایه متخلخل در حالت های افقی و عمودی در محفظه نشان داده شده که بیشترین مقدار انتقال حرارت برای لایه متخلخل افقی برای حالتی است که لایه متخلخل در قسمت بالای محفظه و یا به عبارتی در کنار دیواره عایق قرار دارد. همچنین برای حالتی که محفظه دارای لایه متخلخل عمودی می باشد، در حالتی که لایه متخلخل در قسمت میانی محفظه قرار دارد، بیشترین مقدار انتقال حرارت از محفظه منتقل می شود. همچنین با بررسی اثر ضخامت لایه متخلخل عمودی در وسط محفظه می توان به اثرات ناشی از ضخامت لایه متخلخل پی برد. از جمله این اثرات می توان به روند کاهشی میزان انتقال حرارت با افزایش ضخامت لایه متخلخل و نیز اثرات همزمان ضریب تخلخل و ضخامت لایه متخلخل و مشاهده در عدد رایلی اصلاح شده متوسط اشاره کرد.

در این پایان نامه به حل عددی جریان تراکم ناپذیر در محفظه های غیر مربعی دو بعدی به روش بولتزمن شبکه ای پرداخته شده است. در واقع دو نوع مسئله مورد بررسی قرار گرفته است. نخست به شبیه-سازی جریان تراکم ناپذیر در محفظه های غیر مربعی با درپوش متحرک شامل محفظه ای به شکل نیم بیضی، مثلث و محفظه ای با دیواره دایروی پرداخته شده و نتایج به صورت خطوط جریان برای اعداد رینولدز مختلف ارائه شده است. همچنین برای محفظه مثلثی، تاثیر جهت حرکت درپوش و برای محفظه با دیواره دایروی، تاثیر تغییر ابعاد محفظه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که با افزایش عدد رینولدز شاهد افزایش تعداد گردابه ها و با تغییر ابعاد محفظه و جهت حرکت درپوش، شاهد پیدایش الگوی جریان متفاوت در محفظه هستیم. پس از اطمینان از توانایی روش بولتزمن شبکه ای در مدلسازی هندسه های پیچیده و اعمال شرایط مرزی سرعت با دقت مناسب بر روی مرز های منحنی و مایل، به بررسی و تحلیل انتقال حرارت جابجایی آزاد در محفظه های غیرمربعی شامل مثلث، ذوزنقه و نیم دایره پرداخته شده است. برای این محفظه ها، برای سیال عامل هوا با عدد پرانتل 71/0 خطوط جریان، خطوط هم دما و تغییرات عدد ناسلت موضعی در اعداد رایلی مختلف ارائه شده است. نتایج نشان می دهد که در اعداد رایلی پایین، خطوط هم دما به صورت یکنواخت و هموار است و با افزایش عدد رایلی این خطوط شروع به فشرده شدن و تغییر حالت خواهند کرد. همچنین برای محفظه مثلثی، تاثیر موقعیت قرارگیری محفظه و زاویه بین اضلاع در روند انتقال حرارت از دیوار و الگوی جریان بررسی شده است، که نشان دهنده تاثیر وضعیت قرارگیری محفظه و هندسه آن بر روی روند تغییرات انتقال حرارت و الگوی جریان است. نتایج نشان می دهد در محفظه ای به شکل مثلث با زاویه قائمه و ارتفاع ثابت، با افزایش زاویه تشکیل شده توسط قاعده و وتر که به معنای کوچک شدن قاعده است، در صورتی که زاویه قائمه در پایین ترین نقطه محفظه واقع شود، عدد ناسلت موضعی در هر نقطه از دیوار قائم افزایش خواهد یافت، در حالیکه اگر زاویه قائمه در بالاترین نقطه محفظه واقع شود، در نقاط نزدیک به قاعده مثلث، شاهد کاهش عدد ناسلت موضعی با افزایش این زاویه هستیم. در واقع در این موقعیت قرارگیری محفظه، شاهد یک نقطه کمینه در روند تغییر عدد ناسلت موضعی بر روی دیوار قائم با فاصله از قاعده خواهیم بود. همچنین نتایج در محفظه ذوزنقه ای برای دو زاویه مختلف تشکیل شده توسط ساق ها و دیوار افقی پایین محفظه ارائه شده است، که مقایسه ناسلت موضعی بر روی دیوار گرم پایین محفظه نشان می دهد که در زاویه کمتر، این عدد بیشتر خواهد بود. مقایسه نتایج این پژوهش با نتایج عددی منتشر شده در این زمینه نشان می دهد که این روش از دقت بالایی برخوردار می باشد و با توجه به مزیت این روش در مقایسه با روش های مرسوم در دینامیک سیالات محاسباتی( محاسبات ساده تر، سهولت اعمال شرایط مرزی وقابلیت موازی شدن)، می تواند جایگزینی مناسب برای روش های مرسوم دینامیک سیالات محاسباتی در حل مسائلی با هندسه پیچیده باشد.

در این تحقیق، انتقال حرارت و جرم در یک محفظه مربعی در حضور مانع گرم و با غلظت ثابت به روش شبکه بولتزمن مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات شبکه بولتزمن برای جریان، دما و غلظت و انواع شرایط مرزی مربوط به آن ها ارائه شده و با مقایسه دو نوع شرط مرزی با دقت های مرتبه اول و دوم برای جریان، حرارت و غلظت، این نتیجه به دست آمد که در مساله ای با مرزهای مستقیم، استفاده از شرایط مرزی با دقت مرتبه اول مناسب بوده و نیازی به استفاده از حلگر های مرتبه دوم در روش شبکه بولتزمن نمی باشد. سپس مساله جابجایی حرارت و جرم در یک محفظه مربعی که دیوارهای افقی آن عایق و بدون نفوذ جرم و حرارت اند و دیوارهای عمودی آن دارای دما و غلظت بی بعد صفر هستند و یک مانع مربعی با دما و غلظت بی بعد یک در وسط آن قرار گرفته است، مورد بررسی قرار گرفته است. در این بررسی پارامترهای بی بعد حاکم بر مساله عدد پرانتل pr برابر 0.71، ویسکوزیته ? برابر 0.02، عدد رایلی 1e4-1e6، عدد لوییس le برابر 0.1، 2 و 10، نسبت شناوری n بین 0 تا 4- و نسبت ابعاد مانع به ابعاد محفظه a برابر 2/0، 4/0 و 6/0 در نظر گرفته شده است. در این مطالعه اثر گرادیان های موافق در نظر گرفته نشده است. نتایج نشان می دهند هنگامی که اندازه نسبت شناوری کوچکتر از واحد باشد با افزایش این پارامتر، اعداد ناسلت و شروود کاهش می یابند حال آنکه هنگامی که اندازه نسبت شناوری بیش از واحد است، این دو عدد بی بعد با افزایش |n| افزایش می یابند و در واقع یک نقطه کمینه در نمودار تغییرات ناسلت برحسب نسبت شناوری یافت می شود. در یک نسبت شناوری ثابت، اعداد ناسلت و شروود با افزایش عدد رایلی و همچنین نسبت ابعاد مانع به ابعاد محفظه، افزایش می یابند که این به معنای افزایش نرخ انتقال حرارت و جرم است. مشاهده می شود که با افزایش عدد رایلی، جریان داخل محفظه چند سلولی خواهد بود. یعنی به علت افزایش اثر گرادیان دما در مقایسه با گرادیان غلظت، بخشی از جریان در داخل محفظه گردابه هایی تشکیل می دهد که جهت حرکت آن ها خلاف جهت جریان اصلی است و گردابه های مذکور با افزایش اندازه نسبت شناوری کوچک شده و در نهایت از بین می-روند. نتایج نشان می دهند که با افزایش عدد لوییس، برای غلبه اثر گرادیان غلظت به اثر گرادیان دما، به نسبت شناوری بالاتری نیاز است. همچنین با افزایش عدد لوییس، عدد شروود افزایش می-یابد.

روش شبک? بولتزمن از جمله روش های سودمند در حل مسائل دینامیک سیالات در محیط های متخلخل پیچیده می باشد. در این رساله از روش شبک? بولتزمن در بررسی جریان و انتقال حرارت سیال نیوتنی و غیر نیوتنی بین دو صفحه موازی که به صورت جزئی با محیط متخلخل پر شده، استفاده شده است. محیط متخلخل با موانع مربعی، با آرایش منظم و نامنظم ایجاد گردیده است که امکان بررسی جریان های پیچیده در مقیاس حفره را فراهم می کند. جهت بررسی صحت و دقت روش عددی مورد استفاده، در هر مرحله، بررسی های موردی مختلفی انجام شده است. سه سیال توانی مختلف نازک شونده، نیوتنی و ضخیم شونده، با آرایش های متفاوت از بلوک های مربعی بین دو صفحه بررسی شده است. تاثیر اعداد رینولدز مختلف، درصدهای انسداد و نسبت تخلخل های متفاوت بر روی پروفیل های سرعت و دما و همچنین عدد ناسلت در دیوار? کانال بررسی گردیده است. نتایج به خوبی حرکت جریان سیال و توزیع دمای داخل محیط متخلخل را نشان می دهد. همچنین گردابه های ایجاد شده در پشت موانع مربعی نمایش داده شده و تاثیر آن بر انتقال حرارت مطالعه شده است. وجود موانع ثابت در دامنه محاسباتی به عنوان محیط متخلخل باعث افزایش عدد ناسلت و بهبود انتقال حرارت می گردد. همچنین مشاهده شده که در سیالات شبه پلاستیک میزان عدد ناسلت بیشتر بوده و با کاهش نسبت تخلخل، مقدار عدد ناسلت متوسط افزایش می یابد. در نسبت تخلخل و درصد انسداد ثابت، میزان افزایش عدد ناسلت میانگین در آرایش نامنظم بیشتر می باشد. با بررسی حالت های مختلف از آرایش موانع مربعی، مقدار عدد ناسلت با محدود? اطمینان گزارش شده و دو رابطه در آرایش منظم و نامنظم موانع مربعی بین عدد ناسلت، عدد رینولدز، ضریب توانی، درصد انسداد و نسبت تخلخل ارائه گردیده است.

توجه به افزایش راندمان فرایندهای انتقال حرارت در سال های اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. این توجه ویژه سبب شده تا سمت و سوی این تحقیقات به استفاده از روش ها و محیط های جدید سوق داده شود. نانوسیال از معلق سازی نانوذرات در سیالات پایه تولید می شوند و محیط های متخلخل نیز محیط هایی هستند که بصورت منظم یا نامنظم در ساختار آنها از ذرات و قسمت های جامد استفاده شده است. با توجه به مطالعات انجام شده در این زمینه، انتقال حرارت نانوسیال در محیط متخلخل به طور کامل بررسی نشده است؛ به عبارت دیگر این کار از اولین تحقیقاتی است که بصورت آزمایشگاهی به انتقال حرارت جابجایی نانوسیال در محیط متخلخل پرداخته است. در این پروژه انتقال حرارت جابجایی نانوسیال در یک لوله متخلخل در دو شرط مرزی متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است. شرط مرزی اعمال شده در سطح لوله، شرط شارثابت و شرط دما ثابت است. محیط متخلخل مورد استفاده توسط دو روش جایگذارنده ها در دو تخلخل 0.5 و 0.63 و قرار دادن ماده متخلخل در لوله (به ترتیب برای حالت دماثابت و شارثابت) ساخته شده است. از نانوسیال آلومینا با درصد حجمی 0.1، 0.25، 0.5، 1 و 1.5 درصد (تولید شده از نانوذرات با اندازه 40 نانومتر) برای حالت دماثابت و نانوسیال آلومینا با درصد حجمی 0.1، 0.25، 0.5 و 1 درصد به همراه نانوسیال کربنی با درصد حجمی 0.1، 0.25 و 0.5 درصد (تولید شده از ذرات با اندازه کمتر از 30 نانومتر) برای حالت شارثابت که با روش دومرحله ای ساخته شده اند، بکار گرفته شده است. نانوسیال در سیکل طراحی شده جریان یافته و اندازه گیری های دما با توجه به پارامترهای مورد نیاز در هر یک از شرایط مرزی انجام می شود. همچنین افت فشار ایجاد شده در طول لوله آزمایش توسط یک دستگاه اندازه گیری افت فشار ثبت و گزارش می شود. آزمایش در دبی های مختلف و در هر در هر دبی 3 مرتبه تکرار شده و نتایج آن بوسیله روش آماری بازه اطمینان با دقت 95 درصد آماری محاسبه می شوند. همچنین برای صحت سنجی نتایج با استفاده توسط یک لوله خالی با شرایط مشابه لوله متخلخل پارامترهای مورد نظر اندازه گیری و نتایج آن با روابط تک فاز موجود در مراجع مقایسه شده است. نتایج این مقایسه حاکی از خطای قابل قبول نسبت به نتایج پیش بینی شده است. نتایج بدست آمده در حالت دماثابت نمایانگر افزایش حداکثر 57 درصدی انتقال حرارت جابجایی در عدد رینولدز 3704 برای تخلخل 50% می باشد درحالی که انتقال حرارت حداکثر 45 درصدی در رینولدز 3175 در تخلخل 63% برای ناسلت نانوسیال آلومینا نسبت به سیال پایه در محیط متخلخل است. همچنین نتایج حاکی از افزایش شدید انتقال حرارت نسبت به لوله خالی در این حالت می باشد. نتایج در حالت شارثابت نیز بسیار مشابه می باشد، افزایش حداکثر 31 درصدی در رینولدز 5388 برای نانوسیال آلومینا با غلظت حجمی 1% و افزایش حداکثری 33 درصدی در رینولدز 3489 برای نانوسیال کربنی با غلظت حجمی 0.5% در این حالت مشاهده شده است. افت فشار اندازه گیری شده نیز نمایانگر افزایش شدید در محیط متخلخل نسبت به لوله خالی است. همچنین افزایش افت فشار نانوسیال نسبت به سیال پایه نیز برای تمامی حالات مشهود است.

در این مطالعه، به مدلسازی جریان های چند فازی، در دو بخش جریان های تک جزیی و چند جزیی به کمک روش شبکه بولتزمن پرداخته شده است. در بخش اول، تمرکز بر روی صحت سنجی کد نگاشته شده و توسعه مدل شان و چن در حل جریان های تک جزیی چندفازی با نسبت چگالی بالا می-باشد. برای رسیدن به هدف مذکور از معادلات حالت غیر ایده آل ریدلیش کوانگ، کارناهان استرلینگ و پنگ رابینسون استفاده شده است.در بخش دوم نیز، مدلسازی جریان های چندجزیی و بطور خاص نفوذ قطره داخل محیط متخلخل پرداخته شده است.در این مطالعه، برای اولین بار الگوی نفوذ قطره و فیلم مایع داخل محیط متخلخل لایه-ای به کمک دیاگرام فازی مورد بررسی قرار گرفته است؛ رژیم های ویسکوز فینگرینگ و کاپیلاری فینگرینگ مشاهده و مطالعه شده اند.نرخ نفوذ قطره در محیط های متخلخل لایه ای در تخلخل های مختلف بررسی شده است؛در انتها با استفاده از تقسیم ناحیه متخلخل به نواحی با ضرایب آبگریزی متفاوت، موفق به هدایت سیال در مسیرهای مشخص شدیم که اهمیت بسیار زیادی در صنایع مختلف، نفت و گاز، تولید پیل های سوختی و.. مسائل زیست محیطی مثل نفوذ آب باران در خاک یا مقابله با رسوبات ایجاد شده در دودکش ها و لوله ها... دارد.

سیالات غیرنیوتنی دارای کاربرد وسیعی در فعالیتهای نظامی، پزشکی و صنعتی می باشند که از دیرباز تا کنون توجه ویژه ای به آن معطوف شده است. دانش بررسی جریان سیالات غیر نیوتنی، امروزه به رئولوژی معروف گردیده است و به دلیل ویژگی های خاص موجود در این گونه از سیالات، رفتارهای متفاوت و غیرقابل انتظاری از این گونه از سیالات بروز می یابد. هدف از این پژوهش، بررسی جریان سیال ویسکوالاستیک و انتقال حرارت آن در لوله خمیده، مدل سازی ریاضی، حل آن و سپس تحلیل و ارزیابی حل موجود می باشد. در این پژوهش، با استفاده از سریهای حساب اختلالات، حل تقریبی مناسبی برای جریان سیال ویسکوالاستیک مدل مرتبه دو ارائه شده و در نهایت با بهره گیری از همین حل، بررسی انتقال حرارت این مدل از سیال نیز مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفت. در ادامه نیز حل انتقال حرارت سیال مدل اولدروید-بی در یک لوله خمیده نیز با استفاده از همین روش مورد محاسبه قرار گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش در بخش بررسی جریان سیال ویسکوالاستیک مدل سیال مرتبه دو در لوله خمیده نشان می دهد که افزایش عدد وایزنبرگ در سیال مرتبه دو ضمن تقویت شدت جریان های ثانویه، باعث متمایل شدن گردابه های تیلور و موقعیت بیشینه سرعت محوری به سمت ناحیه بیرونی لوله خمیده شده است. همچنین افزایش زمان رهایی از تغییر شکل در سیال مرتبه دو همراه با کاهش درگ جریان در لوله خمیده خواهد شد. تحلیل های انجام گرفته روی انتقال حرارت جریان ها سیالات مدل اولدروید-بی و مرتبه دو، نتایج مشابهی را نشان می دهد. افزایش عدد وایزنبرگ، تاثیر بسزایی روی انتقال موقعیت بیشینه دمای بی بعد سیال دارد. همچنین، با افزایش عدد رینولدز در حالت جریان خزشی، مقدار ناسلت کاهیده، که معیاری برای مقایسه عدد ناسلت بین لوله خمیده و صاف می باشد، کاهش می یابد. اما این روند در قبال افزایش عدد رینولدز در حالت جریان دارای اینرسی با افزایش مقدار ناسلت کاهیده مواجه می شود.