جریان در مجاری خمیده از جمله مسائل کلاسیک و پایه در مکانیک سیالات محسوب می شود که دارای کاربردهای متنوعی در زمینه های مختلف صنعتی و پزشکی است. تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی، تحلیلی و عددی بیشماری در خصوص این جریان صورت گرفته که عمده این تحقیقات در مورد سیالات نیوتنی بوده و سهم اندکی از آنها متوجه سیالات غیرنیوتنی و بویژه سیالات ویسکوالاستیک است. در این تحقیق، جریان و انتقال حرارت سیال ویسکوالاستیک در کانال خمیده دارای مقطع مستطیلی در حالات ایستا و چرخان مورد بررسی قرار می گیرد. هدف اصلی از پژوهش حاضر، شناخت بهتر اثرات خواص ویسکوالاستیک بر این جریان است. برای این منظور از مدل کریمینال-اریکسون-فیلبی (cef) به عنوان معادله متشکله سیال ویسکوالاستیک استفاده شده که قادر به ارائه اثر توابع ویسکومتریک غیرخطی و بویژه هر دو مقدار اختلاف تنش های نرمال اول و دوم است. در این تحقیق، مطالعه جریان و انتقال حرارت در مجاری خمیده با استفاده از روش های تحلیلی و عددی انجام شده است. در اینجا با استفاده از تکنیک مرتبه بزرگی رابطه تحلیلی برای تعادل نیروها در ناحیه هسته جریان در کانال خمیده ارائه می شود که به شناخت نحوه اثر نیروهای موثر بر میدان جریان کمک شایانی می نماید. همچنین برای نخستین بار با استفاده از این تکنیک روابط تحلیلی برای میدان جریان خزشی سیال مرتبه دو در کانال های خمیده دارای مقطع مستطیلی ارائه می شود. در اینجا برای اثبات اثرات متضاد ثابت های زمانی رهایی از تنش و تاخیر سیال ویسکوالاستیک بر دبی جریان در مجاری خمیده از روش حساب اختلالات استفاده شده است. به دلیل وجود دشوارهای محاسباتی در راه استفاده از این روش برای مطالعه جریان در مجاری خمیده غیر مدور، این اثرات در مجاری خمیده مدور مطالعه شده است. با استفاده از این نتایج تحلیلی نشان داده می شود که در سیالات دارای مقادیر ثابت زمانی نسبتاً بزرگ، میزان مقاومت جریان ویسکوالاستیک از جریان نیوتنی بیشتر است حال آنکه در سیالات دارای مقادیر ثابت زمانی تاخیر بزرگ این اثر برعکس بوده و جریان از خود رفتار کاهش پسا نشان می دهد. همچنین نتایج عددی مربوط به جریان در کانال خمیده مستطیلی نیز به این پدیده دلالت دارد. بخش اصلی نتایج این پژوهش مربوط به نتایج حاصل از شبیه سازی عددی است. در اینجا از روش تفاضل محدود برای گسسته سازی معادلات حاکم بر روی شبکه جابجا شده استفاده شده و نحوه اختصاص پارامترهای میدان جریان و انتقال حرارت بر روی این شبکه مطابق روش علامتگذاری و سلول است. همچنین روش تراکم پذیری مصنوعی جهت تخمین فشار در طی گامهای زمانی تحلیل به کار گرفته شده و از برخی تکنیک های عددی برای پایدار نمودن حل عددی در خواص الاستیک بزرگ استفاده شده است. بر اساس شبیه سازی عددی، صحت نتایج حاصل از حل عددی ارزیابی شده و استقلال پاسخ های عددی از شبکه تحقیق شده است. همچنین اثر پارمترهایی نظیر عدد رینولدز، عدد دین، عدد روزبی، عدد الاستیک، عدد وایزنبرگ، نسبت انحنا، نسبت ابعادی، اثر ویسکوزیته و ثابت های اختلاف تنش نرمال اول و دوم وابسته به نرخ برش بر میدان جریان و انتقال حرارت در جریان خزشی و اینرسی (در حالات پایدار و ناپایدار) به روش عددی مورد بررسی قرار می گیرد. در اینجا برای نخستین بار نشان داده می شود که برخلاف جریان خزشی سیال نیوتنی در کانال خمیده، جریان خزشی سیال ویسکوالاستیک در کانال خمیده می تواند ناپایدار شود. از نوآوری های دیگر تحقیق حاضر آن است که برخلاف تحقیقات پیشین، اثر اختلاف تنش های نرمال بطور مجزا بر میدان جریان بررسی شده و نشان داده می شود که ازدیاد اختلاف تنش نرمال اول با افزایش شدت جریانهای ثانویه همراه بوده و می تواند سبب بروز ناپایداری در جریان شود حال آنکه ازدیاد اختلاف تنش نرمال دوم منفی دارای اثر کاملاً متضادی بوده و در جهت پایدار نمودن جریان عمل می نماید.

هدف از انجام این تحقیق، بررسی پارامترهای موثر در افزایش کارایی پمپ بالابر بادی می باشد. بدین منظور، پس از طراحی و ساخت پمپ مذکور، تاثیر پارامترهای اصلی از جمله قطر لوله ورودی هوا، شناوری لوله بالابرنده، تعداد ورودی های هوا و دبی هوای ورودی بر افزایش کارایی پمپ بالابر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش نشان خواهد داد که کارایی بهینه پمپ در بیشترین نرخ جریان آب خروجی رخ نمی دهد. شایان ذکر می باشد که حداکثر مایعی که پمپ بالابر بادی می تواند به سمت بالا پمپ کند در رژیم های اسلاگ یا اسلاگ – چارن واقع می باشد. نتایج همچنین از افزایش کارایی پمپ در نرخ جریان هوای یکسان در اثر افزایش نرخ شناوری حکایت می کند. در این تحقیق، مدل سازی عددی نیز به منظور مقایسه کیفی الگوهای جریان مشاهده شده در کار آزمایشگاهی و الگوهای جریان حاصل از حل عددی صورت خواهد گرفت. نرم افزار کد باز، بسته ی دینامیک سیالات محاسباتی اپن فوم جهت مدل سازی عددی مورد استفاده قرارگرفت. این نرم افزار شامل روش حجم سیال می‏باشد که برای شبیه سازی حرکت حباب در سیال ساکن از آن استفاده شده است. جریان اسلاگ بخش عظیمی از نقشه ی رژیم جریان در کاربرد بهینه از پمپ بالابر بادی را در بر می گیرد، از این رو به مدل سازی عددی این جریان پرداخته شده است. الگوهای جریان حاصل از مدلسازی عددی، سازگاری مناسبی را با الگوهای مشاهده شده در کار آزمایشگاهی نشان دادند.

با توجه به کاربردهای گسترده‏ای که افشانه‏ها در صنعت دارند، از جمله خنک‏کاری توسط آب‏پاش‏های افشانه‏ایِ فشار قوی، افشانه‏های رنگ‏پاش و یا فرآیند تزریق سوخت به داخل یک محفظه‏ی احتراق مانند سیلندر یک خودرو، مطالعات زیادی در این زمینه صورت گرفته است. به ویژه در بحث موتورهای احتراق داخلی، نقش افشانه‏ها بیش از پیش نمایان می‏شود، چرا که فرآیند پاشش سوخت و اتمیزه شدن آن ارتباط مستقیمی با راندمان موتور و کاهش مصرف سوخت و تشکیل آلاینده‏ها دارد. از این رو درک صحیح پدیده‏ی پاشش در افشانه‏ها و اتفاقی که برای قطرات بعد از برخورد با هم رخ می‏دهد از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‏باشد. بررسی و مطالعه‏ی پدیده برخورد قطرات در یک افشانه موضوعی بسیار دشوار و پیچیده است. پدیده‏ی برخورد قطرات از یک سو به خودیِ خود دارای ماهیتی پیچیده است و هنوز با وجود مطالعات گسترده‏ای که در این حوزه انجام گرفته است شناخت کاملی از فیزیک این پدیده در دست نمی‏باشد. از سوی دیگر، تحلیل های آزمایشگاهی و عددی این پدیده نیز بسیار دشوار و با محدودیت‏های زیادی روبرو است. به همین علت، تحقیقات در زمینه برخورد قطرات در افشانه‏ها کماکان از موضوعات و چالش‏های مطرح در علم مکانیک می‏باشد. در مدلسازی افشانه‏ها باید به عوامل فیزیکی گوناگونی توجه شده و در مدل عددی ارائه شده در نظر گرفته شود. از آنجا که پاشش، تعاملی است میان دو فاز نیاز به تحلیل یک جریان دوفازی می‏باشد. قطرات بعد از برخورد به هم، در اثر عوامل مختلف، ممکن است دستخوش اتفاقات گوناگونی، که با عنوان رژیم‏های برخورد شناخته می‏شوند، گردند. این رژیم‏ها در تعیین مشخصات قطرات بعد از برخورد به هم موثراند. از این رو در مدلسازی افشانه‏ها باید توجه ویژه‏ای به این مورد شود. همچنین پدیده‏های تبخیر، آشفتگی و درگ از دیگر عواملی است که تاثیری مستقیم در پدیده برخورد قطرات دارند که باید در مدل ارائه شده، اعمال شوند. در تحقیق پیش‏رو، فرایند پاشش سوخت به داخل یک محفظه‏ی احتراق با کمک کد تجاری kiva4 مدلسازی شده و مورد بررسی قرار گرفته است. این کد که یک برنامه کامپیوتری به زبان برنامه‏نویسی فورترن بوده و حاصل بیش از سی سال تحقیقات می‏باشد، قادر به حل مساله های دوبعدی و سه‏بعدی جریان سیالات همراه با واکنش‏های شیمیایی و افشانه‏ی سوخت است. با وجود این که این کد بیشتر برای تحلیل موتورهای احتراقی گسترش پیدا کرده است، ولی می‏توان از آن در حل جریان‏های آشفته، آرام، مادون صوت، مافوق صوت و جریان‏های تک‏فازی و یا دوفازی نیز استفاده کرد. در فصل نخست این پایان‏نامه مقدمه‏ای در مورد افشانه‏‏ها، کاربردهای آن و پدیده‏ی برخورد قطرات در فرایند پاشش سوخت آورده خواهد شد. سپس به مرور اجمالیِ کارهای انجام شده در این زمینه توسط محققین مختلف پرداخته می‏شود. در فصل دوم این تحقیق به تئوری‏های مختلف در حوزه‏ی برخورد قطرات، از جمله ساختار افشانه‏ها، پارامترهای مهم در مدلسازی برخورد، رژیم‏های مختلف برخورد، مدل‏های مختلف ارائه شده در شبیه‏سازی فرایند برخورد، مدل‏های مربوط به آشفتگی، تبخیر و درگ، اشاره می‏شود. بعد از توضیح مختصری در مورد عملکرد کد kiva4 در تحلیل پدیده برخورد در فصل 3 و تعریف مساله در فصل 4، نتایج حاصل از حل عددی مساله در فصل 5 ارائه شده و به بحث و بررسی در مورد آن پرداخته می‏شود.

مطالعه ی آئرودینامیک جریان های با اعداد رینولدز پایین به علت کاربردهای خاص نظیر وسایل بدون سرنشین، ربات ها و کاوشگرهای زیرسطحی در ابعاد بسیار کوچک مورد توجه می باشد. لذا در این پایان نامه، اثر دمش و مکش سیال از سطح تحتانی و فوقانی هیدروفویل ها روی کنترل جریان، ضریب برآ و ضریب پسا در جریان های غیرلزج و لزج با اعداد رینولدز 500 و 2000 بررسی شده است. از یک روش پیش شرط توسعه یافته به نام روش پیش شرط توانی و روش عددی حجم محدود جیمسون برای تحلیل جریان های غیرلزج و لزج دائمی تراکم ناپذیر عبوری از هیدروفویل ها استفاده شده است. روش مورد استفاده برای برای همگرایی حل به سوی حالت دائم، روش انتگرال گیری زمانی چهار مرحله ای رانگ-کوتا می باشد. جهت کنترل لایه ی مرزی یک جت دمش (مکش) با پهنای 5/2 % طول وتر در سطح تحتانی و فوقانی هیدروفویل قرار داده و نتایج برای کمیت های مختلف دمش (مکش) نظیر محل جت، نسبت سرعت و زاویه ی دمش (مکش) معرفی شده است. نتایج حاصله نشان می دهد که روش پیش شرط توانی در عین حال که دقت مطلوب و قابل قبولی دارد، سرعت همگرایی را تا حد زیادی افزایش داده و در نتیجه هزینه زمانی محاسبات را تقلیل می دهد. همچنین در جریان غیرلزج، دمش از سطح تحتانی دور از لبه ی حمله و مکش از سطح فوقانی دور از لبه ی حمله، باعث افزایش ضریب برآ نسبت به حالت بدون جت می شود، اما ضریب پسا را نیز افزایش می دهد. در حالیکه در جریان لزج، دمش از سطح تحتانی و فوقانی دور از لبه ی حمله و مکش از سطح فوقانی دور از لبه ی حمله، ضریب برآ و پسا را نسبت به حالت بدون جت به ترتیب افزایش و کاهش می دهد.

مدل کلاسیک بیضوی (فوریه ای) برای انتقال گرمای رسانشی که کاربردهای فراوانی در موارد مختلف دارد، سرعت پخش گرما در اجسام را بینهایت در نظر می گیرد. از سوی دیگر در بسیاری از کاربردهای صنعتی و به ویژه پزشکی، مدل هذلولوی (غیرفوریه ای) که سرعت محدود برای انتشار حرارت در نظر می گیرد، به واقعیت نزدیک تر است. یکی از مهم ترین مباحث مرتبط با انتقال حرارت غیرفوریه ای، کنترل دما در نقاط مختلف اجسامی است که معادلات انتقال حرارت هدایتی در آنها از نوع هذلولوی است در صورتیکه شرایط مرزی (شار حرارتی یا توزیع درجه حرارت) در سطح بهطور کامل و بهصورت تابعی از زمان و مکان شناخته شده باشند، آنگاه با حل معادله هدایت حرارتی توزیع دمادر داخل جسم تعیین خواهد شد. این یک مسئله خوش وضع (well-posed) است.اما بسیاری از موارد عملی مسائل انتقال حرارت، بهدلیل نامشخص بودن شرایط مرزی مسئله، معادله حرارتی قابل حل نیست. مسایل بدخیم(ill-posed) را می توان با روش آنالیز معکوس (ihcp)حل نمود. یکروشبرایحلمسائلهدایتگرماییمعکوسبدست آوردن شارحرارتسطحیوتابعحرارتازتغییردرجهحرارتدرداخلیکجامد می باشد.در این پایان نامه، ابتدا با استفاده از یک شار حرارتی معلوم در یکی از مرزهای جسم، اعتبار روش گرادیان مزدوج استفاده شده تایید و سپس با استفاده از این روش شار حرارتی که منجر به توزیع دمای مطلوب داخل جسم می شود، تخمین زده خواهد شد.اساس روش cgm بر مبنای کمینه کردن مجموع مربعات تفاضل دمای محاسبه شده و دمای اندازه گیری شده در روی سطح جسم است. جهت داشتن مقادیر درجه حرارت تجربی برای حل مسئله معکوس از مقادیر میدان درجه حرارت محاسباتی با اضافه نمودن یک تابع توزیع نرمال خطا استفاده شده است. ثابت می شود این روشبخصوص درزمانیکهاندازهگیریمستقیمازشارحرارتسطحیودرجهحرارت بنا به دلایل مختلف دشواراست، بسیارمفیدوقدرتمند می باشد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که روش استفاده شده قابلیت کنترل دمای مطلوب را حتی با وجود اغتشاش در داده های ورودی دارد.

در مطالعه حاضر یک روش ترکیبی مرز غوطه ور- شبکه بولتزمن غیرنیوتنی (ib-nlbm) با الگوریتم اعمال نیروی چندمرحله ای برای شبیه سازی جریان و انتقال حرارت غیرنیوتنی در مجاورت مرزهای ثابت و متحرک توسعه داده شده است. ib-nlbm قابلیت مدل سازی انتقال حرارت از سطح اجسام با دمای متغیر در هندسه های پیچیده را داراست. این روش را می توان به عنوان یک رویکرد شبکه ای غیرمنطبق بر جسم در نظر گرفت که در آن دامنه سیال توسط گره های اویلری ثابت و نقاط روی مرز جسم غوطه ور توسط نقاط لاگرانژی نشان داده می شوند. روش ترکیبی پیشنهادی اکثر مزایای منحصربه فرد روش های مرز غوطه ور و شبکه بولتزمن را داراست. دو خاصیت مهم روش حاضر یعنی شبیه سازی مستقیم عددی و محاسبه ویسکوزیته به صورت محلی با دقت مرتبه دو، این روش را به عنوان گزینه ای مناسب برای بررسی جریان های شامل اجسام غوطه ور در حضور سیالات غیرنیوتنی معرفی می نماید. در کار حاضر انواع الگوریتم های واسط شارپ و دیفیوز برای ایجاد ارتباط بین گره های اویلری و لاگرانژی مورد مطالعه قرار گرفته است. در مقایسه با روش های معمول مرز غوطه ور- شبکه بولتزمن، در روش حاضر نیروی اضافی ناشی از وجود جرم شتابدار نیز لحاظ شده است که برای مدل سازی دقیق تر حرکت در سیالات غیرنیوتنی ضروری به نظر می رسد. الگوریتم اعمال نیروی چندمرحله ای استفاده شده در روش حاضر اثرات منفی گسسته سازی دامنه حل را بهبود می بخشد و معادلات ناویر استوکس را با دقت مرتبه دو بازیابی می کند. همچنین یک الگوریتم ساده و موثر بر پایه روش مرز غوطه ور - شبکه بولتزمن شارپ و دیفیوز برای محاسبه عدد ناسلت در جریان های ذره ای غیر هم دما معرفی شده است. درستی روش ارائه شده از طریق مقایسه با چندین مسئله نمونه تحلیلی، عددی و آزمایشگاهی شامل جریان سیال غیرنیوتنی داخل کانال، جریان و انتقال حرارت سیال از روی مرزهای ثابت با شکل های هندسی متفاوت و سقوط ذرات درون سیالات هم دما و غیر هم دما، به اثبات رسیده است. نوآوری های موجود در رساله حاضر را می توان به دو بخش کلی تقسیم بندی نمود: (1) مطالعات انجام گرفته برای توسعه و بهینه سازی روش مرز غوطه ور شبکه بولتزمن غیرنیوتنی در جریان های ذره ای با دمای سطح ثابت و متغیر و (2) نتایجی که برای نخستین بار در مورد رفتار سیالات غیرنیوتنی توانی در حضور مرزهای متحرک غیر هم دما ارائه شده است. با توجه به بررسی ها و مقایسه های انجام شده در این تحقیق، الگوریتم واسط شارپ برای شبیه سازی جریان در مجاورت مرزهای ثابت و الگوریتم واسط دیفیوز چهار نقطه ای مرتبه دو برای مدلسازی هندسه های شامل مرزهای متحرک پیشنهاد می شوند. در کار حاضر برای اولین بار پدیده هایی مربوط به برهم¬کنش بین ذرات مانند، درفتینگ، کیسینگ و تامبلینگ (dkt) در مسائل مربوط به سقوط دو یا چند ذره در سیالات غیرنیوتنی ضخیم برشی و رقیق برشی بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که خواص رقیق برشی سیال باعث افزایش زمان کیسینگ می شود. علاوه بر این مولفه های عرضی سرعت ذره برای سیالات رقیق برشی در طول بازه زمانی تامبلینگ با سیالات نیوتنی و ضخیم برشی متفاوت است. نتایج حاصل از شبیه سازی حرارتی مسئله سقوط ذره با دمای سطح متغیر نشان می دهد که فرض ساده کننده دمای سطح ثابت خطاهای غیرقابل قبولی را برای محاسبات مربوط به سیستم های حرارتی واقعی ایجاد می کند. روش مرز غوطه ور – شبکه بولتزمن غیرنیوتنی پیشنهادی، به خوبی می تواند برای مدل سازی مسائل کاربردی مختلف مانند مبدل های تماس مستقیم و جریان های ذره ای غیرنیوتنی هم دما و غیر هم دما موجود در محیط های بیولوژیکی و یا صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.