احتراق بدون شعله به دلیل دارا بودن بازده بالا، تولید آلاینده پایین و توزیع یکنواخت دما در محفظه احتراق، در مطالعات اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل پیش بینی می شود که در آینده ای نزدیک، از احتراق بدون شعله به طور وسیعی استفاده شود. در این پایان نامه جهت مدل سازی احتراق بدون شعله از ترکیب راکتورهای perfectly-stirred و plug-flow استفاده می شود. احتراق بدون شعله در یک مشعل به کمک این روش مدل سازی شده و نتایج بدست آمده با نتایج مدل سازی مشابه در نرم افزار fluent مقایسه می شود. در ادامه، احتراق بدون شعله در یک محفظه احتراق توربین گازی مدل می شود. سوخت مورد استفاده هیدروژن فرض شده است. دلیل استفاده از هیدروژن این است که در ساختار مولکولی هیدروژن اتم کربن وجود ندارد و همچنین هماهنگی زیادی با منابع انرژی تجدیدپذیر دارد و پیش بینی می شود که در آینده، استفاده بسیار وسیعی در تبدیل انرژی داشته باشد. در این پایان نامه نشان داده می شود که احتراق بدون شعله میزان تولید nox را به شدت کاهش می دهد. بعلاوه، تاثیر پارامترهای مختلف مانند دمای هوای ورودی به محفظه احتراق، نسبت هم ارزی، میزان بازچرخش و غیره بررسی خواهد شد. در آخر، احتراق بدون شعله به کمک الگوریتم بهینه سازی pso، با هدف کاهش میزان انتشار nox و افزایش دمای خروجی بهینه می شود. پارامترهای موثر در تعیین شرایط بهینه، دمای هوای ورودی، درصد بازچرخش و نسبت هم ارزی در نظر گرفته شده اند.

در این مطالعه، یک پیل سوختی اکسید جامد صفحه ای با عملکرد دائم، در حالت سه-بعدی شبیه سازی عددی شده است. معادلات انتقال جرم، انرژی و انتقال بار الکتریکی به روش حجم محدود تفکیک سازی شده و برای حل معادلات حاصل، برنامه ای به زبان فرترن نوشته شده است. در این مطالعه عبارات جابجایی و نفوذی به ترتیب به روش قانون توانی و روش تفاضل مرکزی تفکیک سازی شده اند. مخلوط گازی با %97 مولی هیدروژن و %3 مولی بخار آب به کانال آند و هوا به کانال کاتد پیل سوختی وارد می شود. به منظور مدل سازی واکنش های الکتروشیمیایی رابطه نیمه تجربی باتلر- فلمر در لایه های کاتالیست به کار رفته است. اثر این واکنش ها در عبارات منبع معادلات انرژی، انتقال گونه ها و انتقال بار الکتریکی لحاظ شده است. در این مطالعه، نمودار پلاریزاسیون برای شرایطی خاص (حالت مبنا) محاسبه شده است و با داده های تجربی ارائه شده از یک پیل سوختی اکسید جامد دکمه ای، به منظور اعتبار سنجی مدل سازی، مقایسه شده است. بعد از اعتبارسنجی، توزیع پارامترهای جریان، دما، گونه های شیمیایی، ولتاژهای الکتریکی و چگالی جریان الکتریکی، در یکی از ولتاژهای کاری پیل سوختی در حالت مبنا، محاسبه و بررسی شده است. سپس نمودارهای پلاریزاسیون در شرایط کاری مختلف به دست آمده اند و اثر هر یک از پارامترهای موثر بر عملکرد پیل سوختی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی است که افزایش فشار کاری اثری مشابه با افزایش دبی ورودی در نمودار پلاریزاسیون دارد و چگالی جریان حدی را بهبود می-دهد درحالی که اثر افزایش دما متفاوت بوده و چگالی جریان حدی را کاهش می دهد.

مشعل های محیط متخلخل در مقایسه با مشعل های شعله ی آزاد دارای مزایای عمده ای از جمله تشکیل شعله ی پایدار در محدوده ی گسترده تری از نسبت های استوکیومتری و دبی های ورودی، قابلیت استفاده از سوخت های با ارزش حرارتی پایین و تولید کمتر آلاینده های محیط زیست می باشند. در این تحقیق احتراق پیش مخلوط و آرام مخلوط های هیدروژن-هوا در یک محیط متخلخل مدل سازی شده است. محیط متخلخل خنثی، ایزوتروپیک و همگن در نظر گرفته شده است. شبیه سازی به صورت دو بعدی و غیر دائمی صورت گرفته است. از یک سینتیک مفصل 23 مرحله ای برای محاسبه ی نرخ واکنش های احتراق و تولید no استفاده شده است. انتقال حرارت همرفتی بین فازهای جامد و گاز با استفاده از یک رابطه ی تجربی برای ضریب انتقال حرارت حجمی مدل شده است. از تقریب دیفیوژن برای مدل سازی انتقال حرارت تشعشع در محیط متخلخل بهره گرفته شده است. تمامی خصوصیات فیزیکی مخلوط گاز به صورت توابعی از دما و ترکیب مخلوط در نظر گرفته شده است. معادلات حاکم بر پایه روش حجم محدود گسسته سازی شده و در نرم افزار اپن فوم حل شده اند. با انجام مدل سازی مقدار گونه های شیمیایی مختلف محاسبه شده، و تأثیر پارامترهایی نظیر نسبت هم ارزی و زاویه ی واگرایی محیط متخلخل مشعل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل حاکی از افزایش دما و مقدار آلاینده ی no می باشد، وقتی که نسبت هم ارزی به طرف مقدار 1 تغییر داده می شود. محدوده ی شعله ی پایداری نسبت های هم ارزی 1 تا 2/1 به حداکثر مقدار خود می رسد. محدود ه ی پایداری و مکان شعله بر حسب نرخ آتش و زاویه ی واگرایی محیط متخلخل مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که حد برگشت شعله قدری به نرخ آتش وابسته است، در حالی که پرش شعله وابستگی بیشتری به این پارامتر نشان می دهد. زاویه ی واگرایی محیط متخلخل تاثیر زیادی بر محدوده ی پایداری شعله نداشته، اما موقعیت شعله در محدوده ی پایدار خود توسط این زاویه هم تحت تاثیر قرار می گیرد.

امروزه پیل های سوختی غشائی-پلیمری به دلیل مزایایی نظیر تولید توان با چگالی بالا و در گستره ای وسیع، دمای عملکرد پایین و قابلیت راه اندازی نسبتاً سریع، بیش از سایر انواع پیل های سوختی مورد توجه محققان و صنعتگران می باشند. با این همه، تجاری سازی کامل این گونه پیل ها منوط به ارتقاء مدیریت آب در آنها، به ویژه در سمت کاتد، به منظور رفع چالش هایی نظیر سیلاب زدگی، خشک شدن غشا و آغاز به کار از حالت سرد می باشد که این امر خود حاکی از ضرورت مدلسازی عددی پدیده ی انتقال آب در کاتد این گونه پیل ها است. در دهه ی اخیر استفاده از روش شبکه-بولتزمن جهت مدلسازی عددی پدیده های فیزیکی به دلیل ویژگی های منحصر به فرد این روش نظیر توانایی در نظر گرفتن خواص انتقالی غیر همگن و ناهمسانگرد، مدلسازی در گستره ی وسیعی از مقیاس ها، توانایی فوق العاده جهت مدلسازی جریان چندفازی شامل چندگونه شیمیایی در محیط های با هندسه ی پیچیده مانند فضای حفره ای یک محیط متخلخل و سهولت اجرا به وسیله ی سیستم های پردازش موازی رو به گسترش است. در پایان نامه ی حاضر پس از آشنایی اجمالی با پیل های سوختی و نیز روش شبکه-بولتزمن، در گام نخست به ارائه ی مدلی دو بعدی از کاتد یک پیل سوختی غشائی-پلیمری با میدان جریان درهم تنیده بر مبنای روش شبکه-بولتزمن و با رویکردی فعال که قادر به در نظر گرفتن واکنش الکتروشیمیایی است، پرداخته می شود. سپس به کمک مدل مذکور، یک مطالعه ی پارامتری صورت می گیرد. در ادامه برای اولین بار مدلی سه بعدی از کاتد با در نظر گرفتن واکنش الکتروشیمیایی و انتقال حرارت ارائه می شود. پیش از انجام شبیه سازی توسط مدل مذکور، با روش تولید تصادفی به بازسازی سه بعدی مایکرو ساختار لایه ی نفوذ گاز در کاتد یک پیل سوختی غشائی-پلیمری پرداخته می شود. در مدل مذکور، لایه ی کاتالیست به صورت لایه ای با ضخامت ناچیز در نظر گرفته شده است که بر روی آن واکنش الکتروشیمیایی اتفاق می افتد. با هدف دستیابی به تبیین بهتر لایه ی کاتالیست، در گام بعد برای اولین بار مدل پیشرفته تری ارائه می شود که در آن لایه ی کاتالیست به صورت مجموعه ای از توده های استوانه ای شکل حاوی نانو ذرات پلاتین و ذرات کربن که توسط لایه ای از ماده ی نفیون احاطه شده اند، در نظر گرفته می شود. در ادامه ی پایان نامه، پدیده ی انتقال آب با شبیه سازی خروج قطره ی آبی از لایه ی نفوذ گاز یک پیل سوختی غشائی-پلیمری با میدان جریان درهم تنیده بررسی می شود. در گام نخست اثر میزان ترشوندگی لایه ی نفوذ گاز و همچنین گرادیان طولی و عرضی ترشوندگی این لایه بر کیفیت خروج قطره ی آب از لایه ی نفوذ گاز بررسی می شود. نتایج حاصل از این بررسی نشان می دهد که افزایش آب گریزی لایه ی نفوذ گاز، البته تا یک مقدار مشخص، موجب تسهیل در خروج قطره ی آب از این لایه می گردد. این نتایج همچنین نشان می دهند که برای قطره ای با موقعیت اولیه ی واقع بر لایه ی مایکرو متخلخل، گرادیان طولی ترشوندگی نمی تواند موجب تسهیل در خروج قطره گردد، لیکن گرادیان عرضی ترشوندگی اگر به نحوی باشد که رشته-های کربنی در نزدیکی کانال خروجی آب گریز باقی بمانند، روند خروج قطره را تسهیل خواهد نمود. در گام بعد به شبیه سازی رفتار دینامیکی یک قطره ی آب طی خروج از چهار نمونه لایه ی نفوذ گاز بهبود یافته با ماده آب گریز پی تی اف ای پرداخته می شود. میزان پی تی اف ای در تمامی نمونه ها یکسان، اما توزیع آن در نمونه های مختلف متفاوت است. به کمک نتایج حاصل از این شبیه سازی ها، اثر نحوه ی توزیع ذرات آب گریز پی تی اف ای بر کیفیت خروج قطره ی آب از لایه ی نفوذ گاز ارزیابی می گردد. نتیجه مهم حاصل از این ارزیابی آن است که وجود هرچند اندک رشته ها ی کربنیِ غیر پوشش داده شده با ذرات پی تی-اف ای در لایه ی نفوذ گاز که وجود آن در نمونه های واقعی لایه ی نفوذ گاز بسیار محتمل است، مانعی بزرگ در برابر خروج قطره ی آب از لایه ی نفوذ گاز می باشد.

چکیده ندارد.