شعله های صنعتی را از نظر نوع اختلاط سوخت و هوا می توان به دو نوع شعله های پیش مخلوط و غیر پیش مخلوط (دیفیوژن) تقسیم کرد. در شعله های پیش مخلوط سوخت و هوا قبل از احتراق با یکدیگر مخلوط می شوند و در شعله های غیر پیش مخلوط، سوخت و هوا در سطح شعله با یکدیگر مخلوط می شوند. شعله های پیش مخلوط دارای راندمان احتراقی بیشتر و آلاینده های کمتر می باشند اما به دلیل احتمال انفجار در بیشتر تجهیزات صنعتی از شعله های غیر پیش مخلوط استفاده می شود. برای استفاده از مزایای هر دو شعله پیش مخلوط و غیر پیش مخلوط می توان از شعله های جزئی پیش مخلوط استفاده کرد بدین صورت که مقداری از هوا قبل از فرایند احتراق به سوخت اضافه می شود (هوای اولیه) و بقیه هوا در سطح شعله به آن اضافه می شود (هوای ثانویه). علاوه بر این، دربسیاری از موارد صنعتی مانند نفوذ هوا در شعله پیش مخلوط، شعله غیرپیش مخلوط بالارونده، شعله های پیش مخلوط غنی و فقیر، خاموشی محلی شعله-های غیرپیش مخلوط، اشتعال خودبه خودی درتوزیع غیرهمگن سوخت و اکسنده، شعله های پایدارشده با چرخش گازهای داغ، احتراق اسپری، احتراق جزئی پیش مخلوط داریم. به صورت کلی تر هرگاه مخلوط سوخت و اکسنده غیرهمگن باشد احتراق جزئی پیش مخلوط داریم. با توجه به موارد فوق شعله های جزئی پیش مخلوط کاربرد صنعتی زیادی دارند بطوریکه بسیاری از شعله های صنعتی به صورت جزئی پیش مخلوط اند و شعله پیش مخلوط یا دیفیوژن خالص کمتر داریم. برای شبیه سازی این شعله ها و برای آنکه بتوان اثر پدیده های ذکر شده فوق را مدل کرد باید از یک مدل جزئی پیش مخلوط استفاده کنیم. بنابراین مطالعه و شبیه سازی شعله های جزئی پیش مخلوط ضرورت دارد. دراین پایان نامه از مدل های احتراقی جزئی پیش مخلوط برای شبیه سازی شعله های صنعتی استفاده می شود و اثر نفوذ هوا و ارتفاع بالاروندگی بررسی می شوند. برای شبیه سازی احتراق جزئی پیش مخلوط از ترکیب مدل احتراقی زیمنت (که یک مدل فلیملت پیش مخلوط بر مبنای متغیر پیشرفت واکنش است) و مدل احتراقی تعادلی و فلیملت بر مبنای کسر مخلوط (که از مدلهای شعله دیفیوژن می باشند) استفاده می شود. برای شبیه سازی اثر نفوذ هوا، سه شعله بنسن مختلف که در سرعت جت ورودی متفاوت می باشند، مدل می شوند. در حالت دوم برای شبیه سازی ارتفاع بالاروندگی، شعله غیر پیش مخلوط جت بالارونده مدل می شود. حل پیش مخلوط کامل برای حالت اول و دیفیوژن کامل برای حالت دوم انجام می شود. در همه حالات نتایج با کارهای تجربی و عددی قبلی مقایسه می شود. با توجه به نتایج عددی بدست امده استفاده از مدل جزئی پیش مخلوط برای موارد فوق ضروری است و مدل پیش مخلوط و دیفیوژن کامل قادر به شبیه سازی اثرات فوق نمی باشند. با توجه به شرایط استوکیومتریک شعله بنسن شبیه سازی شده، مدل تعادلی و فلیملت اختلاف کمی در مورد آن دارند ولی این اختلاف در مورد شعله بالارونده قابل توجه است. مدل جزئی پیش مخلوط استفاده شده در مورد شعله بنسن پیشگویی خوبی را حتی در مقایسه با مدل سطح مبنا که یک مدل پیشرفته تر است ارائه می دهد. در مورد شعله بالارونده مدل فوق مکانیزم پایداری را به طور کامل شبیه سازی نمی کند و مقدار ارتفاع بالاروندگی کمتر از نتایج تجربی پیش گویی می شود.

یکی از مهم ترین دغدغه های کنونی پیش روی پژوهشگران و صاحبان صنایع در زمینه حل عددی مسائل مختلف در عرصه دینامیک سیالات محاسباتی، زمان و دقت انجام محاسبات می باشد. از جمله اقداماتی که به منظور رفع این موارد و رسیدن به اهداف مورد نظر انجام شده، تمرکز بر تدوین و توسعه الگوریتم ها و حلگرهای دقیق، سریع و پایدار برای حل معادلات جریان سیال بوده است. الگوریتم های حل معادلات به صورت جفت شده و فشار- مبنا، یکی از انواع این الگوریتم هاست که با بهره گیری از مزایای آن می توان تا حد چشمگیری از هزینه های محاسباتی در حل مسائل عددی مختلف کاست. هدف از انجام پژوهش حاضر، تدوین یک الگوریتم جفت شده فشار- مبنا برای حل معادلات جریان سیال تراکم ناپذیر آرام دوبعدی بر روی شبکه های هم مکان و پیاده سازی آن در بسته نرم افزاری openfoam می باشد. در این پژوهش، به بررسی تاثیر استفاده از این دسته از الگوریتم ها در مقایسه با حلگرهای جداشده متداول مانند روش سیمپل پرداخته شده است. جفت شدگی ضمنی سرعت- فشار با استخراج یک معادله فشار در روندی مشابه با الگوریتم جداشده سیمپل و با استفاده از روش میان یابی ری- چاو و گنجاندن ضرایب معادلات مومنتوم و پیوستگی در یک ماتریس قطری غالب انجام می شود. دستگاه تعمیم یافته معادلات مومنتوم و پیوستگی به طور همزمان حل شده و همگرایی آنها با استفاده از یک حلگر خطی تکراری سرعت بخشیده می شود. برای حلگر خطی دستگاه معادلات جفت شده از الگوریتم مشهور gmres استفاده کرده و به دو صورت مجزا در حل مسائل مورد استفاده قرار می گیرد: حلگر gmfoam که به صورت یک کلاس مجزا برای حل دستگاه معادلات بلوکی (با ساختار ldu، ساختار ذخیره 5 آرایه ای شامل 3 آرایه مقادیر و 2 آرایه آدرس دهی) در داخل نرم افزار openfoam پیاده سازی و استفاده شد و حلگر mgmres که از یک کتابخانه ثانویه (با ساختار ذخیره ماتریس پراکنده cr با استفاده از 3 آرایه برای ذخیره مقادیر، شماره سطر و شماره ستون درایه ها) در کنار نرم افزار مورد استفاده قرار گرفت. بدین ترتیب، امکان انتخاب بیشتری برای کاربر در هنگام انتخاب حلگر دلخواه خود فراهم خواهد بود. عملکرد روش جفت شده، برای مقایسه با روش جداشده که به عنوان نمونه از روش سیمپل استفاده شده، با حل 4 مسئله جریان آرام (شامل مسائل حفره مربعی، حفره شیبدار، مخزن مربعی و کانال t-شکل) با استفاده از هر دو روش سنجیده شده و از نظر هزینه های محاسباتی با هم مقایسه شده است. تعداد مراحل تکرار و همچنین، زمان لازم برای همگرایی مقادیر جواب تا 3 مقدار باقیمانده مختلف (10-5، 10-8 و 10-10) برای هر مسئله با استفاده از هر دو روش (3 حلگر خطی مختلف) به دست آمده است. نسبت تکرارهای مورد نیاز بین حلگرهای جفت شده و جداشده و نیز درصد کاهش زمان محاسباتی پردازنده در حلگر جفت شده محاسبه شده است. نتایج نشان می دهد که روش جفت شده اساساً هزینه های محاسباتی را (بالغ بر 88%) در مقایسه با روش جداشده، با نرخی که با افزایش اندازه شبکه افزایش می یابد، کاهش می دهد؛ بدین معنا که هرچه اندازه شبکه محاسباتی بزرگتر باشد، کاهش هزینه های محاسباتی با استفاده از حلگر جفت شده بیشتر خواهد شد.

امروزه یکی از ابزارهایی که جهت حل بهتر و درک بیشتر یک مسئله مهندسی مورد استفاده قرار می¬گیرد، نرم¬افزارهایی باقدرت حل و شبیه¬سازی می¬باشند. یکی از این نرم¬افزارها، نرم¬افزار اپن¬فوم است. از جمله امتیازات نرم¬افزار اپن¬فوم، تهیه کردن ابزار و حل¬کننده جدید بر اساس دانش¬های مربوط به مسئله مورد نظر می¬باشد. به عبارتی دیگر، می¬توان گفت که کاربر می¬تواند با شناختن مجهولات، پارامترهای فیزیکی و دیگر متغیرهای اساسی مسئله و از سوی دیگر دانستن تکنیک¬های برنامه¬نویسی، اقدام به ساختن یک فایل جدید نماید که می-تواند به کمک آن مسائل را مورد ارزیابی قرار دهد. یکی از بحث های موجود در مورد استفاده از نرم¬افزار اپن¬فوم برای بررسی عددی مساله، مشکل ضرایب آیرودینامیکی حاصل از نرم¬افزار اپن¬فوم در مقایسه با داده¬های آزمایشگاهی و حتی سایر نرم¬افزارهای موجود مانند فلوئنت است. بررسی¬های زیادی تا به امروز صورت گرفته اما، خطای ضرایب آیرودینامیکی کاهش پیدا نکرده است. درواقع این بررسی-ها به صورت جامع و همه جانبه نبوده است. در این نرم افزار روش¬های گسسته سازی بسیار متنوع و بیشتری نسبت به سایر نرم¬افزارهای موجود، وجود دارد. از طرفی تاثیر گسسته سازی بر دقت حل بسیار زیاد است. روش گسسته سازی به کار برده شده در این نرم¬افزار، روش حجم محدود است. با وجود اینکه این روش به خوبی شناخته شده است اما، در مورد گسسته سازی عبارات معادله ناویر استوکس بحث زیادی وجود دارد و به طور قطعی، یک روش مشخص که دقت حل مناسبی داشته باشد و نیز همگرایی را تضمین کند، تعیین نشده است. از اینرو در پروژه حاضر تاثیر روش¬های گسسته سازی مختلف بر دقت حل و نیز تاثیر مدل آشفتگی را بررسی نموده¬ایم. برای این منظور و با توجه به اهمیت ایرفویل¬های فوق بحرانی، این ایرفویل را به عنوان مدل انتخاب کرده¬ایم. هر چند که این ایرفویل¬ها به دلیل اهمیتشان در اعداد ماخ بالا گسترش یافتند، اما به دلیل اینکه مشکل ضرایب آیرودینامیکی اپن¬فوم حتی در اعداد ماخ بسیار پایین همچنان مورد بحث است و این مشکل تا به حال حل نشده است، به همین دلیل در این پایان¬نامه به بررسی عددی جریان تراکم¬ناپذیر در اعداد ماخ پایین در نرم¬افزار اپن¬فوم پرداخته شده است. در این بررسی¬ها روش¬های مختلف گسسته¬سازی از جمله روش¬های بالادستی، روش¬های خطی، روش¬های تی-وی-دی و nvd مورد بررسی قرار گرفت. روش بالادستی خطی برای عبارت جابه¬جایی بیشترین دقت را داشت. روش¬های تی-وی-دی هزینه محاسباتی زیادی داشتند. روش مورد استفاده برای گسسته¬سازی گرادیان (و به خصوص گرادیان فشار) تاثیر زیادی بر دقت حل دارد. در بررسی¬هایی که صورت گرفت مشخص شد که، روش quick برای گرادیان سرعت و روش حداقل مربعات برای گرادیان فشار دقت بسیار خوبی دارد. عبارت دیفیوژن به یک روش میانیابی و نیز یک روش برای گرادیان عمودی سطح نیاز دارد. برای میانیابی روش خطی مرتبه دو نسبت به سایر روش¬ها، از نظر پایداری و نیز از نظر دقت حل مناسب¬تراست. برای گرادیان عمودی سطح روش corrected به¬کار برده شد. معمولا برای جلوگیری از ریز کردن زیاد شبکه در اطراف دیواره و در نتیجه جلوگیری از افزایش هزینه محاسباتی از توابع دیواره استفاده می¬شود. با توجه به اینکه استفاده از توابع دیواره باعث می¬شود در ناحیه نزدیک دیواره، به جای حل عددی از حل تقریبی استفاده شود، به همین دلیل این توابع در کاهش خطای عددی تاثیر زیادی دارد. تابع دیواره uwallfunction بهترین دقت را دارد. در این مطالعه، خطای ضریب درگ بین 2 تا 8 درصد بوده است. در اعداد ماخ پایین(تقریبا 0.1) مدل اسپالارت آلماراس نسبت به مدل¬های آشفتگی دیگر دقت حل بیشتری دارد ولی با افزایش عدد ماخ و نیز زاویه حمله ، مدل آشفتگی k-omegasst بهتر است. برای حل جریان از حلگر سیمپل¬فوم و از مدل¬های آشفتگی اسپالارت آلماراس و komegasst استفاده شد. هم چنین روش¬های حل معادلات از نظر هزینه محاسباتی مقایسه شدند. روش چند شبکه¬ای gamg کمترین تکرار را برای همگرایی نیاز دارد. علاوه بر حلگر، مقدار ضریب فوق تخفیف بر هزینه محاسباتی و نیز بر پایداری حل تاثیر بسیار زیادی دارد. به طوریکه با افزایش مقدار این ضریب برای معادله فشار، حل ناپایدارتر می¬شود.

تجزیه و تحلیل جریان در اطراف انواع مختلف ایرفویل ها یکی از مسائلی می باشد که از دیرباز مورد توجه محققین بوده است. یکی از پارامترهای مهم در منحنی های آیرودینامیکی ایرفویل ها ضریب برآی ماکزیمم می باشد. هر چه ضریب برآی ماکزیمم بیشتر باشد هواپیما می تواند در هنگام فرود با سرعت کمتر بنشیند و در هنگام برخاست هم هواپیما می تواند زود تر از زمین بلند شود که این خود باعث کوتاه شدن باند فرود می شود. علاوه براین بالا بودن ضریب برآی ماکزیمم مصرف سوخت را کاهش داده و هواپیما می تواند محموله بیشتری را حمل نماید. موثر ترین راه برای افزایش ضریب برآی ماکزیمم، استفاده از ایرفویل چند المانی با انحنای متغیر می باشد. درعین حال استفاده از سیستم ها با لیفت بالا از نظر ساخت پر هزینه می باشد و همچنین بررسی فیزیک جریان به علت تداخل و تعامل پدیده های جریانی که در اطراف هر یک از المان ها رخ می دهد بسیار پیچیده می باشد. هدف از انجام این تحقیق بهبود قابلیت اطمینان شبیه سازی جریان در اطراف وسایل تولید کننده لیفت بالا می باشد. در این مطالعه جریان آشفته حول ایرفویل چند المانی مربوط به بال هواپیما در حال فرود با استفاده از کد آزاد openfoam شبیه سازی شده است. هفت مدل آشفتگی مختلف در شرایط شبیه سازی بهینه جهت ارزیابی عملکرد مدل ها در پیش بینی رفتار پیچیده جریان حول یک ایرفویل سه المانی استفاده شده است. این مدل ها عبارتند از spalartallmaras، rngkepsilon، realizableke، komegasst، nonlinearkeshih، liencubicke، kepsilon. در این تحقیق اثر اندازه شبکه، اثر اندازه دامنه بر دقت نتایج شبیه سازی بررسی شده است و در نهایت بهینه ترین اندازه شبکه و دامنه حل برای تجزیه و تحلیل جریان در اطراف ایرفویل سه المانی انتخاب شده است. ضریب فشار سطح برای مدل های مختلف آشفتگی با داده های تجربی موجود و همچنین با تعدادی از نتایج عددی معتبر مقایسه شده است. در بررسی های انجام شده در حالت پایا دو بعدی تطابق بسیار خوبی بین ضریب فشار محاسباتی و تجربی برای مدل های آشفته spalartallmaras و rngkepsilon به دست آمده است ، اما تطابق نسبتا خوب در پیش بینی دیگر مدل ها دیده شده است. توانایی مدل های از جهت پیش بینی نقطه جدایش جریان در لبه فرار فلپ و نقطه سکون در لبه راهنما اسلت نیز بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که تمام مدل ها نقاط جدایش متفاوتی نسبت به هم و همچنین نتایج تجربی به دست می دهند اما در این بین مدل های spalartallmaras ، komegasst و rngkepsilon تطابق بهتری با نتایج تجربی نشان می دهند این در حالیست که مدل nonlinearkeshih جدایش را مقداری زودتر و دیگر مدل ها جدایش را دیرتر بر روی فلپ پیش بینی نموده اند. اگر چه شرایط به کار گرفته شده در این تحقیق در مقایسه با شرایط شبیه سازی مورد استفاده در مطالعات دیگر ساده تر می باشد ولی با این حال دقت نتایج بدست آمده در این تحقیق قابل مقایسه با نتایج تجربی و همچنین نتایج عددی می باشد. به طور خاص، پیش بینی مدل های spalartallmaras و rngkepsilon برای جدایش جریان نسبت به دیگر نتایج عددی دقیق تر بوده است.