در این پایان نامه به بررسی و بهینه سازی سیستم های خنک کاری پره های توربین گازی پرداخته شده است. گازهای حاصل از احتراق در محفظه احتراق توربین گاز، در برخورد به پره های توربین، دارای دمای بسیار بالا می باشند. این دما گاهی تا 2400 کلوین هم می رسد. در حالی که پره توربین توانایی تحمل چنین تنش حرارتی را ندارد. از طرف دیگر برای دسترسی به بازدهی بالاتر در توربین های گاز پیشرفته امروزی، افزایش دمای ورودی به توربین، یک نیاز ضروری می باشد. به این ترتیب، خنک کاری پره توربین راه کارمناسبی برای رفع این مشکل می باشد. از جمله روش های خنک کاری موجود می توان روشهای جابجایی، برخوردی، لایه ای و ترکیبی را نام برد. در این پایان نامه، ابتداتحلیل عددی میدان جریان و دما و محاسبه اثربخشی خنک کاری لایه ای روی هندسه صفحه تخت و پره توربین متقارن agtb با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام پذیرفته و صحت نتایج بدست آمده با نتایج تجربی، مورد بررسی قرار گرفته است. سپس با تغییر هندسه و استفاده از روش های ترکیبی (برخوردی/لایه ای) و (برخوردی/جابجایی)، از مزایای هر یک از روش های خنک کاری در نقاط مختلف استفاده کرده و ضمن ثابت نگه داشتن دبی هوای مصرفی، علاوه برافزایش اثربخشی خنک کاری، توزیع دما درسطح پره نیز یکنواخت شده است. همچنین اثر هدایت حرارتی پره و تغییر نسبت دمش در خنک کاری ترکیبی مورد بررسی قرار گرفته است. مدل آشفتگی استفاده شده، مدل k-? اصلاح شده رینولدز پایین (akn) می باشد. مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج تجربی نشان می دهد مدل akn، برای پیش بینی جریان و انتقال حرارت آشفته مناسب می باشد و براساس نتایج بدست آمده اثربخشی خنک کاری با استفاده از روش های ترکیبی برخوردی-لایه ای و برخوردی-جابجایی نسبت به روش لایه ای به طور قابل ملاحظه ای بهبود یافته و توزیع دما در سطح پره یکنواخت تر شده است .

امروزه یکی از راه های بالا بردن راندمان توربین های گاز، افزایش دما در محفظه احتراق و به تبع آن بالا بردن دمای ورودی توربین می باشد. دما در این حالت تا 2400 درجه کلوین بالا می رود در حالی که محفظه احتراق و پره های توربین توانایی تحمل چنین تنش های حرارتی را ندارند. در این راستا برای بدست آوردن عمر و کارکرد قابل قبول پره توربین تحت بارهای حرارتی، علاوه بر بهبود ظرفیت حرارتی مواد و استفاده از پوشش های حرارتی، تکنیک های موثر خنک کاری نیز می بایست مورد استفاده قرار گیرد. خنک کاری لایه ای یکی از روش های موثر و متداول خنک کاری پره توربین می باشد که بهبود شبیه سازی عددی این روش، کمک شایانی به بالا بردن راندمان خنک کاری می کند. در این زمینه معمولا از مدل های بر مبنای معادلات متوسط گیری شده ناویر-استوکس در جریان و مدل پخش گردابه ای ساده (با فرض عدد پرانتل آشفتگی ثابت) ترم شار حرارت آشفته معادله بقای انرژی مدل سازی می شود. این در حالی است که تحقیقات تجربی و عددی نشان می دهد فرض عدد پرانتل آشفتگی ثابت کاملا دور از واقعیت می باشد. در تحقیق حاضر با استفاده از مدل مرتبه دوم تنش های رینولدز با ترم تصحیح دیواره و مدل پخش گردابه ای ساده و مدل های مرتبه دوم جبری صریح به مدل سازی جریان و انتقال حرارت آشفته پرداخته و پارامترهای خنک کاری لایه ای در هندسه پره متقارن بررسی گردیده است. سپس با انتخاب بهترین مدل شار حرارتی آشفته به بررسی تغییرات بردارهای شار حرارتی آشفته، عدد پرانتل آشفتگی و دیگر پارامترهای تاثیر گذار، در نسبت دمش های مختلف پرداخته شده و محدوده عدد پرانتل آشفتگی در خنک کاری لایه ای در این هندسه بین 0.5 تا 1 مشخص گردیده است.

در این پایان نامه به بررسی و بهینه سازی سیستم های خنک کاری برای قطعاتی که در معرض دما های بالا قرار دارند مانند پره ها، محفظه های احتراق توربین گازی و موتور های جت پرداخته شده است. گازهای حاصل از احتراق در محفظه احتراق توربین گاز، در برخورد به پره های توربین، دارای دمای بسیار بالا می باشند. این دما گاهی تا 2400 کلوین هم می رسد. در حالی که پره توربین و بدنه محفظه احتراق توانایی تحمل چنین تنش حرارتی را نداردند. از طرف دیگر برای دسترسی به بازدهی بالاتر در توربین های گاز پیشرفته امروزی، افزایش دمای ورودی به توربین، یک نیاز ضروری می باشد. به این ترتیب، خنک کاری قطعات داغ راه کارمناسبی برای رفع این مشکل می باشد. از جمله روش های خنک کاری موجود می توان روشهای جابجایی، برخوردی، لایه ای و ترکیبی را نام برد. در این پایان نامه، ابتداتحلیل عددی میدان جریان و دما و محاسبه اثربخشی خنک کاری لایه ای روی هندسه صفحه تخت با شکل خاصی از سوراخ تزریق متقارن، با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام پذیرفته و صحت نتایج بدست آمده با نتایج تجربی، مورد بررسی قرار گرفته است. در این پایان نامه مدل های آشفتگی، ? k- استاندارد، مورد استفاده قرار گرفته است. در نهایت با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک و با تغییر پارامتر های هندسی بازده خنک کاری در حدود 30 درصد افزایش داده شده است .

امروزه نیاز گسترده ی صنایع هوافضا (موتورهای پیشرانش) و صنایع تولید قدرت (نیروگاه ها، سیستم های تولید برق و...) به توربین های گاز، موجب شده است تا تحقیقات گسترده ای در زمینه ی بهینه سازی عملکرد، افزایش اثربخشی، کارکرد در حالت ایده آل و رفع مشکلات این تجهیزات صورت پذیرد. با توجه به اینکه اثربخشی توربین گاز به طور مستقیم به دمای گازهای ورودی آن بستگی دارد، هرچه دمای گازهای ورودی افزایش یابد، مقدار اثربخشی نیز بیشتر می شود. از طرفی با افزایش دما، مقدار تنش های حرارتی افزایش یافته و استحکام مواد به کار رفته کاهش می یابد. لذا لازم است با استفاده از روش های خنک کاری، قطعات داغ از جمله پره های توربین را در برابر بارهای حرارتی وارده خنک نمود. در این پایان نامه، ابتدا روش های مختلف خنک کاری پره ی توربین گاز معرفی و در این راستا، مزایا و معایب انواع روش-ها مطرح شده است. سپس با مروری بر تحقیقات انجام شده، اثربخشی هر یک از روش ها و چگونگی رسیدن به اثربخشی بیشتر در هر روش ذکر گردیده است. همچنین تحلیل عددی میدان جریان و دما و محاسبه ی اثربخشی خنک کاری لایه ای روی هندسه ی پره ی توربین متقارن در حالت های ساکن و متحرک با استفاده از مدل های آشفتگی k-ε استاندارد و رینولدز پایین برای سه هندسه سوراخ تزریق سیال خنک کننده(بیضوی، گسترش یافته ی طولی و جانبی)، در سرعت دورانی های مختلف(0 ، 300 و 500 دور بر دقیقه) صورت پذیرفته است. در نهایت برای دستیابی به اثربخشی بیشتر در سرعت دورانی های بالا، استفاده از سوراخ خنک کاری گسترش یافته ی جانبی توصیه شده است.

با توجه به محدودیت منابع انرژی تجدید ناپذیر، یافتن ساختار بهینه برای سیستم های تولید توان در زمان حاضر به شدت مد نظر قرار گرفته، به گونه ای که طی چند دهه ی گذشته، رهیافت های گوناگونی برای بهینه سازی سیستم های انرژی پیشنهاد شده است. اما از آنجا که هدف نهایی از بهینه سازی سیستم های مذکور، دستیابی به یک طرح بهینه ی قابل اجرا و عملی می باشد، لازم است برای نیل به این هدف پارامترهای ترمودینامیکی و اقتصادی به صورت همزمان مورد بررسی و بهینه سازی قرار گیرند که به این نوع بهینه سازی، بهینه سازی چندهدفه می گویند. در این پایان نامه بهینه سازی چندهدفه ی نیروگاه های سیکل ترکیبی (گاز- بخار) به عنوان یکی از سیستم های انرژی پرکاربرد و رایج و با در نظر گرفتن توابع هدف ترمودینامیکی (اگزرژتیکی) و اقتصادی انجام شده است. برای این منظور این نیروگاه سیکل ترکیبی، ابتدا در نرم افزار ees مدلسازی شده و نتایج حاصل از مدلسازی انجام شده با داده های یک نیروگاه واقعی مورد مقایسه قرار گرفته است. در ادامه از دیدگاه ترمواکونومیکی نیز مورد بررسی واقع شده و نیز عوامل موثر بر بازده و کارایی نیروگاه مورد بررسی قرار گرفته است. سپس میزان تخریب اگزرژی در اجزای مختلف سیکل را بدست آورده و جزیی که نقش اساسی را در تخریب اگزرژی دارد، شناسایی شده است. در ادامه، در نرم افزار matlab با الگوریتم چند هدفه ی ژنتیک با طبقه بندی نامغلوب (nsgaii) بهینه سازی شده است. تابع هدف اول بازده اگزرژی کل سیکل و تابع هدف دوم یک تابع هزینه می باشد. تابع هزینه مجموع هزینه ی سوخت و هزینه ی مربوط به تجهیزات و هزینه ی تخریب اگزرژی می باشد. متغیرهای تصمیم گیری در این زمینه، متغیرهایی همچون دمای ورودی توربین، نسبت تراکم فشار کمپرسور، فشارهای ورودی بویلر بازیاب به توربین بخار و بازده آیزونتروپیک برخی از اجزای سیکل خواهد بود.

مهندسی مکانیک یکی از علوم بسیار گسترده است که دارای زیر شاخه های بسیاری است. یکی از این بخش ها که در سال های اخیر به شدت مورد توجه دانشمندان بوده است و تاثیر بسیاری در صنایع داشته است، بحث انتقال حرارت است. مبحث انتقال حرارت خود دارای زیر مجموعه های بسیار زیادی است که یکی از آن ها انتقال حرارت برخوردی می باشد. این بخش کاربردهای زیادی را در صنعت دارد. امروزه استفاده از جت های برخوردی در صنعت هوا و فضا، صنعت برش قطعات، خشک کردن کاغذ، خنک کاری پره های توربین، صنایع غذایی و الکترونیکی و... بسیار شدت گرفته است. از این رو جهت بهینه کردن بازده وکارایی جت های برخوردی تحقیق در این زمینه بسیار پویا می باشد. در این مطالعه، پیرامون تحلیل عددی جریان و انتقال حرارت در یک ردیف جت دایره ای برخوردی به سطح مقعر استوانه ای شکل، بحث می شود. در این راستا معادلات متوسط گیری شده برای جریان تراکم ناپذیر آشفته در حالت دایم به همراه سه مدل آشفتگی رایج و یک مدل رینولدز پایین به همراه تصحیح کننده یاپ، در یک فضای محاسباتی سه بعدی حل شده اند. همچنین نتایج عددی با داده های تجربی موجود مورد مقایسه قرار گرفته است. استفاده از تصحیح یاپ در مدل رینولدز پایین، سبب شد تا خطا برای عدد ناسلت در نقطه برخورد به طور قابل ملاحظه ای کاهش یابد. اما بررسی ها نشان می دهد که مدل sst k-? نسبت به سایر مدل های آشفتگی توانایی مناسبی در پیش بینی تغییر شیب های موجود در توزیع عدد ناسلت و مقدار عدد ناسلت در ناحیه برخورد را دارا می باشد. اثر عدد رینولدز جت، انحنای نسبی، تعداد جت و فاصله مرکز جت ها تا لبه خروجی سطح مقعر در دو چیدمان خطی و جابه جا شده بر توزیع ناسلت روی سطح برخورد مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که افزایش عدد رینولدز از 10000 به 40000 سبب افزایش عدد ناسلت در منطقه برخورد و حد فاصل بین جت ها شده است. این در حالی است که افزایش انحنای نسبی و تعداد جت تاثیر محسوسی بر عدد ناسلت در نقطه برخورد نداشته است. همچنین مشاهده شد که در اعداد رینولدز 23000 و 40000، در یک انحنای نسبی ثابت با کاهش فاصله مرکز جت تا لبه خروجی صفحه مقعر، ناسلت در نقطه برخورد افزایش یافته است.

انرژی یکی از مهم ترین نهاده های توسعه و از عوامل اصلی تولید است. بخش صنعت ایران با مصرف بیش از 294 میلیون معادل بشکه نفت خام در سال 1390 حدود 24.6 درصد مصرف نهایی انرژی را به خود اختصاص داده است. یکی از صنایع انرژی بر، صنعت تولید گچ است. صنعت گچ با در اختیار داشتن 114 کارخانه در سطح کشور، 2 درصد مصرف سوخت بخش صنعت را به خود اختصاص داده است و از این رو بهینه سازی مصرف انرژی در این صنعت می تواند به کاهش مصرف انرژی کمک چشمگیری نماید. استفاده از سیستم تولید همزمان برق و حرارت در صنایع گچ می تواند یک روش مناسب برای ارتقای راندمان، کاهش شدت انرژی در این فرآیند صنعتی و بازیافت انرژی های اتلافی می باشد. در این پایان نامه به امکان سنجی و تحلیل اقتصادی استفاده از chp در یک کارخانه گچ پرداخته شده است. با توجه به شرایط کارخانه مورد مطالعه و ویژگی های انواع سامانه های chp، سه طرح تأمین کل بار الکتریکی با میکروتوربین، تأمین کل بار الکتریکی با موتور گازسوز و تأمین کل بار حرارتی با توربین گازی مطرح شدند که در نهایت بهترین طرح انتخاب شد.

این پایان نامه در نظر دارد تا به شبیه سازی سه بعدی یک توربین گاز جت پایدار (jet stabilized) وبررسی اثر قطر و زاویه جت ها بر خصوصیات احتراق، جریان و همچنین تاثیر آن بر میزان تشکیل اکسید نیتروژن در آن بپردازد. برای حل معادلات حاکم از روش حجم کنترل استفاده شده و ترم های همرفت تمامی معادلات به غیر از تشعشع توسط روش توانی (power law)گسسته سازی شد. همچنین محاسبه میدان فشار با الگوریتم سیمپلسی (simplec)انجام شده است. برای مدلسازی برهمکنش فاز سوخت مایع و هوا نیز از دیدگاه اویلر/ لاگرانژی بهره گرفته شده است. در این دیدگاه معادلات حاکم بر فاز هوا و فاز سوخت به طور متناوب حل میشوند. مدلسازی احتراق قطرات سوخت و برهمکنش آشفتگی/ احتراق با مدل pdf و شبیه سازی رفتار آشفته جریان با مدل k-? realizable انجام شده است. مدلسازی اکسید نیتروژن نیز با توجه به مکانیزم زیلدویچ انجام شده است. به دلیل اینکه فرآیند تشکیل اکسید نیتروژن تاثیری مهمی بر میدان های جریان ندارد، محاسبه آن بعد از شبیه سازی انجام شده است. در این مقاله ابتدا نتایج شبیه سازی عددی با داده های تجربی مقایسه شده و سپس به جز قطر اصلی d، دو قطرd8/0و d2/1مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با کاهش قطر جت ها جریان چرخشی که موجب پایداری احتراق می شود توسعه پیدا کرده و گرادیان دما در مقاطع مختلف کمتر می شود. به علت دمای بالاتر احتراق در قسمت جریان چرخشی تشکیل اکسید نیتروژن با افزایش رینولدز جت هاافزایش می یابد. همچنین نتایج این پژوهش نشان می دهد که اگرچه در جریان بالا دست با افزایش قطر جت ها سرعت ماکزیمم کاهش می یابد، اما با حرکت به سمت جریان پایین دست توزیع سرعت مشابهی را در هر سه مورد بررسی شده مشاهده می کنیم. در پایان این پژوهش به بررسی اثر زاویه تزریق جت های پایدار کننده در محفظه پرداخته شده است. نتایج عددی از این بررسی نشان می دهد که تزریق در جهت جریان بالا دست دمای ماکزیمم احتراق را بالا برده منجر به افزایش تولید اکسید نیتروژن می شود.

چکیده اصلی ترین کاربرد جت برخوردی به سطوح مقعر، مربوط به خنک کاری سطح داخلی لبه جلویی پره توربین گاز است. در موتورهای توربین گاز، هنگامیکه دمای ورودی توربین افزایش می یابد، راندمان حرارتی موتور نیز افزایش می یابد. با این حال، این بدان معنی است که مقدار حرارت منتقل شده به پره-های توربین گاز نیز افزایش خواهد یافت. برای توربین های گاز که بتوانند در دمای بیش از محدودیتهای متالوژی حاضر کار کنند، امکان خنک کاری داخلی پره ها با استفاده از جت برخوردی بسیار جذاب و موثر به نظر می رسد.