هدف از تدوین این رساله تحلیل جریان رقیق شد? مافوق/ماورا صوت در ابعاد نانو/ میکرو در رژیم لغزشی، با استفاده از شرایط مرزی مرتبه دوم لغزشی سرعت و پرش دما توسط روش المان محدود تراکم پذیر پتروف گالرکین می باشد. در صورت کوچک بودن طول مشخصه و یا زیاد بودن طول پویش آزاد مولکولی، رژیم های جریان با نودسن بالا قابل دست یابی می باشد. مسائل با نودسن های بالا در صنایع مختلف از جمله صنایع مرتبط با سیستمهای میکرو/نانوالکترومکانیکی (nems/nems) و یا صنایع فضایی دارای کاربرد فراوانی می باشند. در پروژه حاضر، یک کد مبتنی بر روش المان محدود تراکم پذیر برمبنای معادلات اویلر و ناویر-استوکس بوسیل? روش پتروف-گلرکین برای حل میدان جریان قابل تراکم مافوق صوت تدوین شده است. روش پتروف-گلرکین استفاده شده در این تحقیق مبتنی بر معرفی و استفاده از یک جمله دیفیوژن مجازی می باشد که به صورت محلی و در راستای جریان اعمال می گردد. المان مورد استفاده در تدوین کد عددی، یک المان چهارضلعی خطی است. بعد از اعتبارسنجی کد تدوین شده برای جریان های ابعاد ماکرو، در مرحل? بعد شرایط مرزی مرتب? دوم لغزشی سرعت و پرش دما به کد تدوین شده اعمال می شود و جریان مافوق/ماورا صوت رقیق شده بر روی هندسه های در ابعاد میکرو/نانو مورد تحلیل قرار می گیرد. هندسه های مورد نظر جریان روی نانو-صفحه تخت و جریان روی نانو-استوانه می باشد. نوآوری اصلی پایان نامه حاضر در توسعه کاربرد معادلات لغزشی مرتبه دوم بسکوک، که تاکنون برای حل جریانهای داخلی با سرعت بسیار پایین استفاده شده بودند به تحلیل جریان های مافوق صوت و ارایه جواب های با دقت مناسب می باشد. برای اعتبارسنجی، نتایج بدست آمده با نتایج حل مولکولی مورد مقایسه قرار گرفته است. برای جریان روی صفحه تخت، جوابهای مناسب تا عدد ماخ 7/12 و نودسن 004/0 و برای جریان روی سیلندر، جواب مناسب تا عدد ماخ 5/5 و نودسن 025/0 گزارش شده است.

یخچال ترموآکوستیکی وسیله ای است که از توان صوتی برای انتقال حرارت از محیطی با دمای کمتر به محیطی با دمای بیشتر استفاده می کند. در دستگاه های ترموآکوستیکی قطعه متحرک وجود ندارد در نتیجه هزینه های تعمیر و نگهداری در مقایسه با وسایل کنونی اندک می باشد. سیستم های ترموآکوستیکی به خاطر ویژگی های منحصر به فرد دارای کاربردهای فراوانی هستند. زمانی که دستگاه ترموآکوستیکی در دامنه های فشار و فرکانس بالا کار می کند آنگاه نتایج آزمایشگاهی با روابط تحلیلی تفاوت زیادی دارند. اینچنین پدیده پیچیده ای نیاز به یک ابزار شبیه سازی قدرتمند دارد که در این پروژه برای اولین بار از نرم افزار متن باز دینامیک سیالات محاسباتی openfoam استفاده شده است. با توجه به جدید بودن و پیچیدگی مباحث ترموآکوستیک، در مقالات و منابع از طریقه شبیه سازی عددی آنها به طور واضح صحبت نمی شود اهمیت اساسی این پروژه دستیابی به شبیه سازی یخچال ترموآکوستیکی دو بعدی و سه بعدی با در نظر گرفتن اثرات غیر خطی و تحلیل آنها می باشد. نتایج حاصل از این پایان نامه به این شرح است: در دامنه های فشار زیاد، شکل موج دچار تغییر می شود که این نکته باید در موقعیت قرارگیری مبدل سرد در نظر گرفته شود. توان ورودی اندک باعث می شود که عملکرد دستگاه مناسب نباشد و نتایج نامعقولی حاصل شود. در شبیه سازی سه بعدی نتیجه گرفته شده که فرض فرایند مشابه صفحات و تغییرات ناچیز در جهت عرض صفحه در حالت دو بعدی دارای خطای زیادی است. همچنین نتایج نشان می دهند که در حالت سه بعدی تغییرات در جهت z و y دارای تقارن است و می توان برای کاهش هزینه محاسبات، یک چهارم حوزه محاسباتی را در نظر گرفت.

در این پژوهش جریان گاز رقیق¬شده فوق¬صوتی و گذر¬صوتی حول ایرفویل ناکا 12 در اعداد نودسن با دو رویکرد مولکولی و پیوسته شبیه¬سازی شده¬است. معادلات ناویر-استوکس که شرایط مرزی مرتبه اول سرعت لغزشی و دمای پرشی در آن اعمال شده¬است، با حلگر rhocentralfoam از بسته نرم¬افزاری openfoam حل شده¬اند. حلگر dsmc که dsmcfoam نام دارد، برای استفاده از طرح برخورد بین مولکولی جدید sbt اصلاح شده¬است. استفاده از این طرح امکان شبیه¬سازی دقیق با تعداد کمتر ذره را فراهم می-کند. جریان در زوایای حمله و اعداد نودسن مختلف شبیه¬سازی شده¬است. چگالی و توزیع ضریب فشار حاصل از شبیه¬سازی با داده-های آزمایشگاهی و عددی مقایسه و دقت مناسبی مشاهده شد. تغییرات ضریب برآ و پسا با عدد نودسن و زاویه¬ی حمله مورد بررسی قرار¬گرفت. در جریان فوق¬صوتی برای زوایای حمله پایین ضریب برآ با ضریب برآی حاصل از تئوری خطی¬شده توافق دارد. اگرچه با افزایش زاویه¬ی حمله به بالای 15 درجه این توافق از بین می¬رود. ضریب پسا با افزایش عدد نودسن، افزایش می¬یابد. همچنین با افزایش عدد نودسن سهم ضریب پسای ناشی از توزیع فشار در ضریب پسای کل کاهش و سهم ضریب پسای اصطکاکی، افزایش می-یابد. اثر تغییرات عدد نودسن بر محل قرارگیری موج ضربه¬ای و شکل آن، سرعت لغزشی و توزیع دما در سطح ایرفویل مطالعه شد. با افزایش عدد نودسن تنش برشی بدون بعد¬شده در سطح ایرویل افرایش می¬یابد. اثر تغییر عدد ماخ بر توزیع دما در سطح ایرفویل با در نظر گرفتن سه عدد ماخ در رژیم گذرا بررسی گردید و تغییر روند توزیع دما هنگامی¬که عدد ماخ به رژیم ابر¬صوتی می¬رسد، مشاهده-شد. همچنین با افزایش عدد ماخ ضریب برآ و پسا کاهش می¬یابند. با افزایش عدد ماخ سهم ضریب پسای ناشی از توزیع فشار در ضریب پسای کلی افزایش و سهم ضریب پسای اصطکاکی کاهش می¬یابد. جریان حول ایرفویل در رژیم لغزشی و در ماخ گذر¬صوتی مطالعه گردید که حل¬های پیوسته و مولکولی تفاوت¬هایی را نشان دادند. در این حالت جدایش جریان نیز ملاحظه گردید. در این مورد ضرایب برآ و پسا تفاوت چشمگیری با تئوری خطی¬شده داشتند. با استفاده از تشابه ابعادی جریان حول ایرفویل در رژیم¬های میکرو/نانو بررسی گردید که ایرفویل در رژیم نانو، ضریب پسای بیشتری را نشان داد.

امروزه با توجه به کاربرد وسیع پمپ¬های گریز از مرکز در صنعت، بهینه¬سازی این نوع از توربوماشین¬ها بسیار مورد استقبال قرار گرفته است. پمپ گریز از مرکز 200-32 تولید شده در شرکت پمپیران یک پمپ با سرعت مخصوص پایین می-باشد که شبیه¬سازی این نوع از پمپ¬ها نیاز به ملاحظات خاص خود را دارد. در بخش اول این پایان¬نامه شبیه¬سازی عددی پمپ گریز از مرکز مورد نظر در شرایط کاویتاسیونی و غیر کاویتاسیونی انجام می¬شود. به منظور دست¬یابی به این مهم، استقلال از مش و بررسی مدل¬های آشفتگی متفاوت انجام گرفته است. همچنین نتایج حاصل از مدل قاب چرخان و مش متحرک نیز با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج حاصل از حل عددی با نتایج آزمایشگاهی مطابقت قابل قبولی دارد و همچنین نشان داده شد که در نظر گرفتن زبری دیواره¬ها در پیش¬بینی عملکرد پمپ مورد نظر بسیار موثر است. لازم به ذکر است که نرم¬افزار ansys cfx به عنوان حلگر در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور انجام بهینه¬سازی، در ابتدا به تحقیق درباره¬ی عوامل هندسی موثر در عملکرد پمپ مورد نظر پرداخته شده است و از میان آنها شش عامل به عنوان عوامل بهینه سازی انتخاب می¬شوند. این شش عامل عبارت از تعداد پره، زاویه¬ی ورودی پره، زوایه بندی پره از لبه¬ی ورودی تا لبه¬ی خروجی، شکل توپی ورودی پمپ، شکل لبه¬ی ورودی پره و شکل حلزونی می¬باشند. روش تاگوچی به عنوان روش طراحی آزمایش¬در نظر گرفته شده است. پمپ بهینه شده در مقایسه با پمپ اولیه بهبود چشمگیری را در عملکرد خود در شرایط کاویتاسیون و غیر کاویتاسیون از خود نشان می¬دهد.افزایش ارتفاع رانش به میزان 15 درصد، بهبود بازده به میزان 18 درصد و کاهش ارتفاع رانش مکش مثبت خالص مورد نیاز (npsh) به میزان 30 درصد در مقایسه با پمپ اولیه، عمده¬ی نتایج این تحقیق را تشکیل می¬دهند.

هدف این پژوهش ارائه مدل جایگزینی برای طرح برخورد مولکولی نزدیک ترین همسایه در روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو (dsmc) می باشد. طرح برخوردی پیشنهادی عبارت است از مدل انتخاب¬های برنولی ساده شده (sbt)، که با روش زیرسلول های منطبق شونده گذرا (tas) ترکیب شده است. در کارهای پیشین روش sbt به عنوان یک روش موفق در انجام برخوردهای صحیح با حداقل ذره ضروری معرفی شده بود. با توجه به این نکته که جریان های ماوراصوتی با ماخ های نسبتاً بالا با تجمع ذرات در نواحی با گرادیان بالا مواجه می باشند، استفاده از روش کمکی tas پیشنهاد گردید. روش tas این امکان را به مدل برخوردی sbt می دهد که بتواند در شبکه های محاسباتی نسبتا درشت نیز از ثبت برخوردهای ناصحیح جلوگیری به عمل آورد. جهت انجام شبیه¬سازی های مورد نظر، الگوریتم های ذکر شده (sbt-tas) در کد فرترن جدید ds2v جایگزین گردیده و تست های مختلفی بر روی پرکاربرد ترین مسائل گازهای رقیق ماوراصوتی صورت گرفت. یکی از مهم ترین چالش¬های گسترش الگوریتم sbt-tas، نحوه اعمال آن بر روی مرزهای سطحی منحنی، به خصوص نحوه محاسبه حجم زیرسلول های برش خورده با این سطوح بود. اولین تست عددی مورد نظر برای بررسی الگوریتم sbt-tas، جریان ماوراصوتی ماخ ?? بر روی استوانه می باشد که توانایی الگوریتم در شبیه¬سازی طیف وسیعی از فرکانس های برخورد مولکولی را مورد ارزیابی قرار می دهد. در ابتدا بررسی تست فرکانس تعادلی برخورد، که مقایسه ای بین فرکانس برخورد محاسبات عددی با حالت تحلیلی آن در حالت گاز تعادلی می باشد، انجام و با اطمینان از دارا بودن دقت قابل قبول، این مسأله به صورت کامل حل و تست ¬های عملکردی حل بر روی آن انجام گردید، به صورتی که این تست ¬ها گویای دقت و سرعت قابل قبول این روش در مقایسه با طرح برخوردی نزدیک ترین همسایه بودند. در ادامه ارزیابی این روش در حوزه جریان های ماوراصوتی، تست جریان روی مخروط دوگانه به عنوان یکی از جریان هایی که حاوی تداخل امواج ضربه ای با یکدیگر و با لایه مرزی می باشد انتخاب گردید. این مسائل به علت دارا بودن فیزیک و مکانیک پیچیده که از یک سو به جهت حضور انواع امواج ضربه ای و از سوی دیگر حضور نواحی دارای گردش و گردابه هستند، حائز اهمیت می باشند. در مرحله نخست با انجام تست هایی به بررسی شناخت انواع جریان های موجود در این مسئله و چگونگی رفتار مکانیزم sbt-tas در مقابل هر یک از این جریان ها پرداختیم. مشاهده شد که الگوریتم sbt-tas در نواحی بر همکنش موج ضربه ای، متمایل به دریافت گام های زمانی فرا تر از مقدار واقعی خود می باشد. این مشکل با طراحی یک مکانیزم کنترلی که با شناسایی خطا و کنترل آن انجام می گردید بهبود یافت (sbt-tas c. m). در مرحله بعدی با اطمینان از صحیح بودن طرح برخورد، به کاوش در جریان های واکنش پذیر پرداختیم و با انتخاب مسأله بازگشت-به-جو (reentry) رفتار الگوریتم پیشنهادی را در حوزه واکنش های شیمیایی مورد بررسی قرار دادیم.

ابزارهای میکروسیالی در زمینه های پزشکی، صنعتی و همچنین جهت تجزیه و تحلیل شیمیایی و بیولوژیکی کاربردهای فراوانی دارند. در پژوهش حاضر، جریان دو فازی در یک میکروکانال با یک ورودی فرعی که در مجموع یک هندسه تی-شکل را تشکیل می¬دهد مورد بررسی عددی قرار گرفته است. هوا به عنوان فاز پیوسته از کانال اصلی و آب به عنوان فاز گسسته از کانال فرعی وارد اتصال شده و در تحت شرایط خاصی تشکیل قطره را می دهد. شبیه سازی عددی دوبعدی با استفاده از نرم افزار اپن فم و استفاده از روش بازسازی سطح آزاد حجم سیال (vof) انجام گردید. این هندسه توسط محققین متعددی در دهه اخیر بررسی شده بود و تعداد محدودی از رژیم های اصلی جریان قطره از جمله رژیم های فشردگی، انتقالی فشردگی-چکیدن، چکیدن، جت مانند، حبابی و موازی در آن گزارش شده بود. در تحقیق حاضر، بازه ی گسترده ای از عدد موئینگی، نسبت نرخ جریان، زاویه ی تماس و عدد رینولدز که از جمله پارامترهای مهم در جریان های دو فازی می¬باشند مورد بررسی قرار گرفت، و رژیم هایی جدیدی علاوه بر رژیم های گزارش شده، مشاهده گردید. رژیم های جدید در این تحقیق تحت عنوان رژیم های گذرای چکیدن-جت مانند، چکیدن دوقطره ای، جت مانند دوقطره ای و رژیم شبه حبابی نامیده شده¬اند که با توجه به شرایط فیزیکی پژوهش حاضر برای اولین بار در میکروکانال تی-شکل مشاهده شده اند. از جمله نوآوری¬های کلیدی دیگر در این پروژه، بررسی خطوط جریان و شناسایی موقعیت مکانی تشکیل گردابه ها در رژیم های جریان دو فاز داخل میکروکانال بود که تاکنون توسط محققین بررسی نشده و اهمیت آن جهت تحلیل نقش هر یک از نیروهای موثر بر شکست قطره قابل ملاحظه می¬باشد. در انتها برای جمع بندی پژوهش حاضر و درک بهتر از تاثیر مقادیر پارامتر های بی¬بعد جهت ایجاد رژیم های شناسایی شده و تحلیل آن ها در یک نگاه، سعی بر این بود تا برای اولین بار بتوان کلیه ی نتایج به دست آمده برای رژیم های مختلف جریان را به صورت چند نمودار که گویای وابستگی رژیم های مختلف به پارامتر های (ca, ?, q_(d )/q_(c ) ) می باشند، خلاصه نمود. با استفاده از این نمودارها می توان میزان نقش هریک از پارامترهای مهم جهت تبدیل رژیم های جریان به یکدیگر را داخل میکروکانال ها شناسایی کرد و به این نکته پی برد که تا چه اندازه ای این پارامترها می توانند هر رژیم دلخواه را به دیگری تبدیل نمایند.

هدف اصلی پروژه ی حاضر تحلیل جریان رقیق شده ی گاز تک اتمی آرگون در هندسه ی دوبعدی میکرو/نانو کانال با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو و بررسی رفتار هیدرودینامیک و انتقال حرارت این جریان تحت شار حرارتی ثابت دیواره است. برای این منظور ابتدا در یک کد پایه عددی dsmc، الگوریتم اعمال شار حرارتی دیواره به روش تکرار اصلاح شده گسترش داده شد و روابط لازم برای محاسبه ی تنش برشی و شار حرارتی از دیدگاه مولکولی به آن اضافه شده است. برای درنظر گرفتن دقیق تغییرات خواص جریان مثل لزجت، ضریب انتقال حرارت هدایت و عدد پرنتل جریان به صورت مولکولی، از مدل برخورد کره سخت تعمیم یافته استفاده شده است. با مقایسه ی نتایج به دست آمده بر مبنای معادلات ناویر-استوکس و روش مولکولی حاضر برای عدد نوسلت، ناکارآمد بودن اغلب این روابط تحلیلی برای پیش بینی رفتار جریان در سرتاسر حوزه ی لغزشی نشان داده می شود. البته روابطی که تاثیرات رقیق شدگی جریان، اتلافات لزج و تغییرات خواص سیال را به طور همزمان در نظر گرفته اند رفتار جریان را به درستی پیش بینی می نماید. در این تحقیق پدیده ی خزش حرارتی و تاثیر آن بر نیم رخ سرعت بررسی شده است. همچنین در ادامه تاثیر انتقال حرارت بر رفتار منحنی توزیع فشار غیرخطی کانال بررسی شده است. رفتار دبی جرمی کانال بر اساس نیم رخ سرعت و دما در بازه ی وسیعی از اعداد نودسن توجیه شده است. مطالعه دبی جرمی کانال نشان می دهد که در یک نودسن مشخص نزدیک یک، شار حرارتی دیواره تاثیری بر تغییرات دبی ندارد، در حالی که قبل و بعد از این نودسن، شار حرارتی باعث افزایش یا کاهش دبی جرمی کانال می شود. در ادامه رفتار عدد نوسلت جریان تحت تاثیر رقیق شدگی جریان و اتلافات لزجی مطالعه شده است. رفتار تکین مشاهده شده برای ضریب انتقال حرارت در شرایطی که شار حرارتی خنک کننده ی کوچکی به دیواره کانال اعمال می شود از دیدگاه مولکولی بررسی و توجیه شده است. همچنین در این شرایط انشعاب در خطوط شار حرارتی و انتقال حرارت از ناحیه سرد به گرم مشاهده شد که ناشی از تاثیرات اتلافات لزج است. وابستگی ضریب انتقال حرارت جریان به پارامتر رقیق شدگی جریان (عدد نودسن) و اتلافات لزج (عدد برینکمن) در بازه ی وسیعی از رژیم های جریان برای شار گرمایی بحث شده است. در کد محاسباتی dsmc حاضر، الگوریتم اعمال شار حرارتی دیواره ثابت به روش تکرار اصلاح و تحت همین عنوان معرفی شده است. این الگوریتم اصلاح شده مشکلات اعمال شار در شرایط بی درو را حل نموده و از سرعت بهتری نسبت به الگوریتم های قبلی برخوردار است.

میکرو/نانونازل ها ابزاری برای تولید نیروی پیشران در ریزماهواره محسوب می شوند. باتوجه به ابعاد این قبیل دستگاه ها، جریان درون آنها از رفتار پیوستگی فاصله گرفته و در ناحیه ی رقیق شده قرار می گیرد. از آنجا که به دلیل هندسه ی منحصر به فرد میکرو/نانونازل ها رژیم های مختلفی از رقیق شدگی در آن وجود دارد حل جریان درون آنها همواره پرهزینه بوده است. لذا هدف اصلی این پایان نامه جایگزینی طرح برخورد برنولی ساده شده (sbt) به جای طرح ntc در روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو (dsmc) می باشد به منظور کاهش هزینه ی محاسباتی می باشد. طرح sbt درسال 2011 توسط استفانوف به منظور کاهش هزینه ی محاسباتی ارائه گردید. در حقیقت طرح برخورد برنولی ساده شده این امکان را فراهم می کند تا با استفاده از تعداد ذرات شبیه سازی کمتر در مقایسه با طرح ntc علاوه بر حذف برخوردهای تکراری ممکن، دقت نتایج را حفظ نمود. از طرف دیگر حلگری که قابلیت حل جریان های رانده شده در اثر گرادیان فشار نظیر جریان میکرو/نانونازل ها را داشته باشد حلگری به نام dsmcfoamstrath است که تعمیم یافته ی حلگر معروف dsmcfoam بوده و متعلق به دانشگاه استرتکلاید می باشد. درنتیجه، در گام نخست طرح برخوردی مذکور (sbt) در حلگر مورد استفاده یعنی حلگر dsmcfoamstrath جایگزین گردید. در ابتدا، نشان می دهیم که حل عددی صحیح جریان در نازل با استفاده از شبکه نسبتاً درشت (در حدود طول پویش آزاد مولکولی) قابل انجام می باشد. پس از انجام این مهم، به منظور اعتبارسنجی طرح برخورد اِعمال شده دو هندسه ی میکروکانال و میکرونازل مورد آزمایش عددی قرار گرفت که نتایج بدست آمده حاکی دقت یکسان طرح برخوردی برنولی ساده شده در مقایسه با سایر روش های موجود می باشد. با اطمینان از دقت قابل قبول طرح برخوردی اِعمال شده، بررسی متغیرهای مهم موثر در جریان گاز رقیق شده درون میکرو/نانونازل ها هدف قرار گرفت. از این رو تأثیر پارامترهایی نظیر فشارخروجی، اندازه ی گلوگاه، گاز مورد استفاده و نظیر آن ها مطالعه گردید. از جمله نتایج کلیدی و مهم که در این تحقیق بدست آمد می توان به کاهش 47 درصدی هزینه ی محاسباتی، وقوع رفتار افزایشی-کاهشی (بایمودال) دما و عدم وقوع عدد ماخ برابر 1 در گلوگاه اشاره نمود.