انتقال حرارت جابجایی آزاد با توجه به کار بردهای گسترده در صنایع مختلف و مزیت های متعددی که بر سایر تکنیکهای انتقال حرارتی دارد ، همواره مورد توجه محققین بوده است. از مزیت های سیستم های مبتنی بر جابجایی آزاد میتوان به سادگی ، هزینه های پایین ، قابلیت اطمینان بالا و عدم نیاز به نگهداری اشاره نمود. پژوهشگران در سالهای اخیر ، برای افزایش نرخ انتقال حرارت از روش های گوناگونی بهره گرفته اند. یکی از این روشها تعلیق نانو ذرات جامد فلزی و یا غیر فلزی در سیال پایه می باشد که اولین بار توسط چوی ارائه گردید پس از او نیز مطالعات متعدد تجربی و عددی در زمینه ی استفاده از نانو سیال ها در هندسه های متفاوت مانند لوله ها،حفره ها و ... انجام گرفته است. در این تحقیق انتقال حرارت جابجاییآزاد در حفره ی مربعی حاوی نانوسیال دارای صفحه ی دما ثابت منحنی شکل ، مورد بررسی قرار گرفته است. دیواره های افقی فوقانی وتحتانی حفره عایق بوده و دیواره های جانبی در دمای ثابت نگه داشته شده و دمای آنها از دمای صفحه منحنی شکل کمتر می باشد. با توجه به وجود هندسه ی متقارن میدان های دما و جریان الگوی متقارنی را نشان میدهند. نتایج حاصل ار حل عددی معادلات حاکم ، در محدوده ی متفاوتی از اعداد رایلی، طول، زاویه و موقعیت مکانی صفحه منحنی شکل، درصد حجمی نانو ذرات ، برای دو نانو ذره ی مس و اکسید آلومینیوم ودر غالب کانتورهای دما وجریان و نیز دیاگرامهای عدد ناسلت میانگین و موضعی ارائه شده است.عدد ناسلت میانگین با افرایش طول و زاویه صفحه ی منحنی شکل افزایش مییابد، این در حالی است که تغییر موقعیت مکانی صفحه منحنی شکل و انتقال آن به نیمه ی بالایی و یا پایینی حفره اثرات متفاوتی بر روی مقدار عدد ناسلت میانگین اعمال می کند. افزودن نانوذرات مس و اکسید آلومینیوم موجب افزایش نرخ انتقال حرارت نسبت به سیال پایه میشود اما این افزایش نرخ انتقال حرارت در اعداد رایلی پایین تر مشهودتر است.با افزایش درصد حجمی نانوذرات عدد ناسلت میانگین افرایش می یابد. مطابق انتظار بالاترین مقادیر عدد ناسلت مشاهده شده مربوط به نانو ذرات مس می باشد زیرا ضریب هدایت حرارتی نانوذرات مس از اکسید آلومینیوم بیشتر است. از سوی دیگر تفاوت موجود در عدد ناسلت مربوط به حفره ی حاوی نانو سیال آب ومس و حفره ی حاوی نانو سیال آب و اکسید آلومینیوم، در غلظت های بالای نانو ذرات، با وضوح بیشتری قابل مشاهده است.

در سال های اخیر با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در زمینه فناوری ریزساخت، تولید ریزسیستم هایی در ابعاد میکرو/نانو میسر گردیده است. تجزیه و تحلیل رفتار سیالات عامل در این سیستم ها که عموما از آنها به عنوان میکرو/نانوسیستم های الکترومکانیکی نام برده می شود امروزه تبدیل به یکی از پویا ترین رشته ا تحت عنوان ریزسیالات یا میکرو/نانوسیالات شده است. در پروژه حاضر جریان کوئت که یکی از انواع جریان های رانده شده به وسیله تنش برشی و به عنوان مسئله ای کلاسیک در مکانیک سیالات شناخته می شود در نظر گرفته شده و با استفاده از روش dsmc به شبیه سازی و بررسی فیزیک حاکم پرداخته می گردد. هدف در این پایان نامه علاوه بر حل جریان، محاسبه کمیت های مرتبط به قانون دوم در چارچوب معادله انتقال انتروپی از دیدگاه میکروسکوپیک می باشد چرا که چنین کمیت هایی در اکثر مسائل انتقال ممنتم و حرارت کمک می کند که از فیزیک حاکم درک بهتری حاصل گردد. در این پایان نامه روش های مختلف محاسبه انتروپی و تولید انتروپی توصیف می گردند و در مسئله کوئت به کار گرفته می شوند. همچنین اثرات رقیق شدگی و تراکم پذیری مورد مطالعه قرار می گیرند و در مورد مزایا و معایب این مدل ها بحث می گردد و یک مدل ترکیبی برای مطالعه تولید انتروپی پیشنهاد می شود. شبیه سازی حاضر برای محدوده وسیعی از عدد نودسن و عدد ماخ به طوری که رژیم های مختلف این دو عدد بی بعد را پوشش دهند اجرا گردید. از بررسی اثرات تراکم پذیری اینطور می توان نتیجه گرفت که افزایش سرعت دیواره منجر به افزایش سرعت، دما، شار حرارتی و کاهش قدر مطلق تنش برشی در دامنه حل می گردد. مهمترین پارامتر در اینجا اتلاف گرمایشی لزجی می باشد که با افزایش سرعت دیواره افزایش می یابد. همچنین افزایش عدد ماخ دیواره منجر به غیر یکنواخت شدن نیمرخ های انتروپی با بیشینه ای در مرکز کانال و تولید بیشتر انتروپی در کل مناطق کانال می شود. نتایج به دست آمده نشان می دهد که انتروپی و دما روند مشابهی نشان می دهند. با بررسی اثرات رقیق شدگی می توان نتیجه گرفت که افزایش عدد نودسن منجر به کاهش سرعت و افزایش دما، شار حرارتی و تنش برشی در دامنه حل می شود. ملاحظه می شود گرادیان نیمرخ سرعت با رقیق شدن جریان کاهش می یابد که به دلیل توسعه لایه نودسن در کل حوزه می باشد. همچنین افزایش عدد نودسن منجر به تولید نیمرخ های یکنواخت تولید انتروپی می گردد. محاسبه انتروپی و تولید آن در دامنه حل نشان می دهد که این دو کمیت رفتارهای متفاوتی از خود به نمایش می گذراند. در اینجا علت اصلی انتقال انتروپی، شار انتروپی می باشد. این کمیت انتروپی تولید شده در کنار دیواره ها را به بیرون کانال منتقل می کند. نشان داده می شود می توان از پارامتر تولید انتروپی در واحد چگالی، به جای عدد نودسن موضعی و به عنوان ملاکی برای درجه غیر تعادلی بودن جریان استفاده کرد.

هدف این رساله بررسی جریان پیچیده کاویتاسیونی روی دیسک است که بعنوان کاویتاتور در پرتابه های زیر دریایی بکار می رود. با توجه به اینکه پدیده کاویتاسیون دارای پیچیدگی های زیادی می باشد، برای شبیه سازی آن باید از یک روش کارآمد استفاده نمودکه توانایی شبیه سازی مکانیزم های پیچیده ی موجود در این نوع جریان را دارا باشد. بسته ی نرم افزاری openfoam دارای انواع مدل های توانمند مورد نیاز در این زمینه از جمله روش های آشفتگی les (شبیه سازی ادی های بزرگ)، روش نسبت حجمی سیال (vof)، روش های انتقال جرم استاندارد و همچنین قابلیت اجرای موازی بسیار بالایی برای تحلیل پدیده کاویتاسیون می باشد. مدل آشفتگی les به دلیل داشتن توانایی فوق العاده برای منظور نمودن مقیاس های کوچک مکانی و زمانی توانایی بالاتری در شبیه سازی دینامیک کاویتاسیون و مکانیزم های آن دارد. بنابراین پروژه حاضر بر مبنای استفاده از نرم افزار openfoam در تحلیل جریان سوپرکاویتاسیون روی دیسک انجام شده است. مدل انتقال جرم زوارت (zwart) به قابلیت های این نرم افزار اضافه گردید و نتایج آن با نتایج حاصل از مدل های موجود مقایسه شد. در این مطالعه نتایج نشان می دهد که مدل انتقال جرم کانز دارای نتایج بهتری نسبت به سایر مدل های انتقال جرم می باشد

در این تحقیق، اثر مدل سازی آشفتگی، اندازه شبکه و گسسته سازی حجم محدود در زوایای حمله کمتر از شرایط واماندگی و اثرات تراکم پذیری در رفتار واماندگی ایرفویل ناکا 12 با استفاده از بسته نرم افزاری اپن فم بررسی شده است. مشاهده شده است که با بهبود روش گسسته سازی معادله ممنتم، خطای محاسباتی ضرایب برا و پسا کاهش می یابد. از میان روش های گسسته سازی متفاوت، بهترین نتیجه با استفاده از روش گسسته سازی خطی برای عبارت جابجایی و گسسته سازی مرتبه چهارم برای گرادیان فشار حاصل شد. چهار مدل آشفتگی از خانوادهrans شامل اسپالارت آلماراس، k- sst، k-? و rng k-? در زوایای کمتر از شرایط واماندگی بررسی شدند و ضرایب برا و پسای آن ها با یکدیگر مقایسه شد. از میان مدل های آشفتگی مختلف، بهترین نتیجه برای ضریب برا از مدل آشفتگی k- sst و بهترین ضریب پسا از مدل آشفتگیrng k-? بدست آمد. مدل آشفتگی k- sst شروع شرایط واماندگی را به درستی پیش بینی می کند، در حالی که مدل های دیگر توانایی پیش بینی آن را ندارند. مدل آشفتگی شبیه سازی گردابه-های بزرگ (les) برای شبیه سازی جریان در زوایای حمله مختلف و در یک زاویه حمله بالا در شرایط واماندگی بررسی شد. مشاهده شد در زاویه حمله ?18و عدد ماخ 2/0، تراکم پذیری تاثیر مهمی ندارد و شبیه سازی تراکم ناپذیر نتایج مناسبی را ارائه می-دهد، در حالی که در میدان جریان با عدد ماخ 25/0 شبیه سازی تراکم پذیر نیاز است. اثر شکل گیری گردابه ها، حرکت و جدایش آن-ها روی ضرایب برا، پسا و فشار دیواره بررسی شده است. نشان داده شده است که این گردابه ها باعث ایجاد رفتار نوسانی در توزیع فشار روی سطح بالایی ایرفویل می شوند. این رفتار باعث ناپایدار شدن ایرفویل می شود و بر عملکرد ایرفویل در شرایط واماندگی تاثیر جدی و مهمی دارد.

توسعهی چشمگیر استفاده از سیستم های میکرو/نانو در صنایع پزشکی، الکترونیکی، مکانیکی و فضایی تحلیل و بررسی رفتار جریان را در میکرو/نانو ساختار ها ضروری می نماید. هدف اصلی پروژه ی حاضر تحلیل جریان رقیق شده ی هندسه ی دوبعدی میکرو/نانوکاویتی حرارتی با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو و بررسی انتقال حرارت این جریان تحت شارحرارتی ثابت دیواره است. برای این منظور ابتدا در یک کد پایه عددی dsmc، الگوریتم اعمال شار حرارتی دیواره به روش تکرار گسترش داده شد و روابط لازم برای محاسبه ی تنش برشی و شار حرارتی از دیدگاه مولکولی به آن اضافه شده است. در این هندسه تاثیرات رقیق شدگی در بازه وسیعی از اعداد نودسن بر پارامترهای انتقال حرارتی در داخل حوزه حل و روی دیواره های کاویتی بررسی شد و مشاهده شد که با افزایش تاثیرات رقیق شدگی به دلیل کاهش برخورد بین مولکولی، انتقال حرارت کاهش می-یابد. در این بین مشاهده شد گردابه ها در کاویتی حرارتی در اعداد نودسن مختلف رفتار متفاوتی دارند به طوری که با افزایش تاثیرات رقیق شدگی گردابه ها روی دیواره پایین ضعیف می شود و گردابه هایی روی دیواره کناری به وجود می آید. در ادامه علت به وجود آمده این گردابه ها و تاثیر این گردابه ها بر رفتارهای انتقال حرارتی مورد مطالعه قرار گرفت. بررسی انجام شده در این پروژه نشان می دهد که عدد ناسلت با افزایش عدد نودسن، کاهش می یابد به طوری که در عدد نودسن 3، عدد ناسلت، طبق تعریف متداول در جریان پیوسته، به صفر میل می کند. تاثیرات ساختار مولکولی به پارامتر های انتقال حرارتی در رژیم های لغزشی و انتقالی مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد در صورت استفاده از گاز چند اتمی به جای گاز تک اتمی در یک عدد نودسن مشخص عدد نودسلت افزایش می یابد ولی با افزایش عدد نودسن ساختار مولکولی تاثیری در مقدار عدد ناسلت ندارد. در این پروژه نشان داده می شود که با کاهش تاثیرات رقیق شدگی، توزیع دما کاهش می یابد که این مساله منجر به کاهش توزیع آنتروپی می شود. برآیند دو جمله عمده حرارتی و سیالاتی در رابطه تولید آنتروپی بیانگر این است که کاویتی دارای بیشترین تولید آنتروپی در گوشه های پایین است، این در حالی است که بیشترین عدد نودسن محلی در گوشه های پایین کاویتی است. این بدین معناست که در نقاطی که کاویتی دارای بیشترین رفتار رقیق شدگی است، بیشترین مقدار آنتروپی تولید می شود.

در سالهای اخیر استفاده از سامانه های میکرو/نانو الکترومکانیکی (mems/nems) توسعه چشمگیری پیدا کرده است. یکی از مهمترین اجزای استفاده شده در این قطعات میکرو/نانو کانالها می باشد. در هنگام اتصال میکرو/نانو کانالها با قطرهای مختلف به یکدیگر، نواحی افزایشی مساحت قابل مشاهده می باشد که این نواحی از دیدگاه عددی با جریان روی پله قابل مدلسازی می باشد. هدف اصلی تحقیق حاضر بررسی جریان رقیق شده در میکرو/نانو پله می باشد. جریان گاز نیتروژن در بازه وسیعی از عدد بدون بعد نودسن (kn) در جریان داخل پله مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق ناحیه چرخشی ایجاد شده پشت پله مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و عوامل کاهش و افزایش این ناحیه مورد بررسی قرار می گیرند. همچنین رفتار گاز قبل و بعد ناحیه چرخشی مورد بررسی قرار می گیرد. یکی از مسائل قابل اهمیت بررسی این سوال است که آیا می توان ناحیه جدایش چرخشی را کاملا از بین برد و یا محدود نمود. همچنین اثر پارامترهای مختلف مثل عدد نودسن بر رفتار گاز در داخل و خارج ناحیه چرخشی بررسی شده است. یکی از پارامترهایی که کاربرد فراوانی در میکرو/نانو کانالها دارد پارامتر تغییر فشار است. تغییر فشار عاملی است که در کانالهای فشار محرک از آن برای کنترل دبی و سرعت سیال استفاده می شود؛ بنابراین مطالعه تغییرات نسبت فشار نیز در این تحقیق انجام می شود. تغییر فشار، توزیع سرعت داخل ناحیه چرخشی را تغییر می دهد اما بر طول این ناحیه اثری ندارد. رفتار خفگی جریان و اثر آن روی ناحیه چرخشی یکی دیگر از مواردی است که مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین تغییر دمای دیواره و گرم کردن آن یکی از عواملی است که بر روی رفتار گاز در داخل ناحیه چرخشی و خارج آن تاثیر میگذارد. در هر قسمت اثر پارامترهای مختلف بر روی تغییرات دبی جرمی نیز مورد بررسی قرار می گیرد. تمامی این پارامترها قادرند علاوه بر تغییر در دبی جریان، روی عملکرد جریان در داخل و خارج ناحیه چرخشی اثر بگذارند. رفتار انتقال حرارتی گاز و عدد ناسلت نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی دیگر از نوآوری های تحقیق حاضر مقایسه جواب های روش dsmc با ناویراستوکس با دو نوع شرط مرزی لغزشی سرعت و پرش دمایی است که دقت این جوابها در داخل و خارج ناحیه چرخشی مورد بحث قرار گرفته است.