با جریان های گازی رقیق شده معمولاً در جریان داخل هندسه های کوچک نظیر mems و در کاربرد های فشار پائین نظیر وسایل در حال پرواز در ارتفاعات بالا و یا در حال کار کردن در خلأ های زیاد مواجه می شویم. این جریان ها با توجه به میزان رقیق شدگیشان به رژیم های جریان متفاوتی تقسیم می شوند. در جریان گازهای رقیق دو رژیم لغزشی و انتقالی از اهمیت ویژه-ای برخوردار می باشند. در رژیم لغزشی برهمکنش مولکولی در نزدیکی سطح اثرات خود را نشان می دهد که با اعمال شرایط مرزی لغزشی در معادلات ناویر-استوکس قابل حل می باشند؛ اما در رژیم جریان انتقالی اثرات زیاد برهمکنش مولکولی در کل جریان موجب از اعتبار انداختن معادلات ناویر-استوکس می شود. لذا برای حل جریان در این رژیم باید از روش های مولکولی استفاده شود. در پایان نامه حاضر به تحلیل جریان بر روی کره سه بعدی در رژیم های لغزشی و انتقالی پرداخته ایم. در بخش اول به جهت درک هر چه بهتر تاثیرات وابستگی دمایی خواص سیال و طول مشخصه جریان بر روی هیدرودینامیک ، جریان حول یک میکرو کره سه بعدی و غیر مقید در رژیم لغزشی شبیه سازی شده است. شروط مرزی لغزشی اعم از سرعت لغزشی و پرش دمایی به صورت عددی در معادلات ناویر-استوکس اعمال شده و خواص سیال از قبیل چگالی، ویسکوزیته، ضریب هدایت رسانایی و طول پویش آزاد مولکولی با دما متغیر در نظر گرفته شده است. اثرات خواص متغیر و تغییرات عدد نیودسن بر روی مومنتوم جریان مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که در جریانات میکرو با نرخ انتقال حرارت بالا فرض خواص ثابت، فرضی خام و ابتدایی می باشد. همچنین در اختلاف دماهای بالاتر بین سطح و سیال، به دلیل افزایش ویسکوزیته، نتایج ضریب درگ بیشتری را نشان می دهند. لذا فرض خواص ثابت منجر به تخمین پایین تری از ضریب درگ می شود. این تفاوت در ضریب درگ به علت اختلاف دما، در رینولدزهای کم که اهمیت خاصی در جریان های دوفاز گاز-جامد در ابعاد میکرو دارد، مشهودتر می باشد. همچنین نتایج نشان می دهد که با افزایش عدد رینولدز، وابستگی ضریب درگ به عدد نیودسن کاهش می یابد. در بخش دوم رژیم جریان سه بعدی انتقالی ماورای صوت روی یک کره با استفاده از روش dsmc مورد مطالعه قرار گرفته است. از کد dsmcfoam به عنوان حلگر مسئله استفاده شده، مدل کره سخت متغیر برای برخورد بین مولکولی و مدل دیواره پخشی برای برخورد مولکول با سطح در نظر گرفته شده اند. بررسی گسترده و جامعی روی پارامترهای موثر بر هیدرودینامیک جریان در رژیم انتقالی صورت گرفته است. به عنوان مثال مشاهده شد که با افزایش عدد نیودسن ضریب درگ افزایش می یابد و با افزایش عدد ماخ ضریب درگ کاهش می یابد. در قسمت پایانی این تحقیق به بررسی تاثیر ارتفاع پرواز بر پارامترهای هیدرودینامیکی پرداخته ایم تا تاثیر همزمان تغییرات عدد ماخ و نیودسن را در نظر بگیریم. نتایج نشان می دهد که در طی مسیر فرود وسایل پروازی ماورای صوت ضریب درگ کاهش می یابد.

در فعالیت حاضر یک روش برای بهینه سازی هندسه پره های کمپرسور با هدف افزایش کارایی کل کمپرسور ارائه می شود. در این راستا بهینه سازی کل کمپرسور با استفاده از تحلیل گر روش انحنای خط جریان و طراحی پروفیل دو بعدی پره با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی با یکدیگر یکپارچه خواهند شد. الگوریتم ارائه شده برای بهبود عملکرد کل کمپرسور توسط بهینه سازی پروفیل پره های منتخب، دارای سه مرحله اصلی می باشد. در مرحله اول هندسه کل کمپرسور پارامتره می شود و سپس پارامترهای مربوط به این طبقات منتحب بهینه می شوند. در مرحله دوم هندسه پره های منتخب به چندین پروفیل دو بعدی تقسیم شده و سپس هندسه این پروفیل ها بطور جداگانه با استفاده از یک الگوریتم بهینه سازی چند -سطحه بهینه می شوند. تابع هدف بهینه سازی هر یک از پروفیل ها در مرحله دوم با استفاده از پارامترهای بهینه شده طبقات منتخب در مرحله اول تعریف می شود. در مرحله سوم به منظور از بین بردن عدم هماهنگی های ایجاد شده بین طبقات بهینه شده و دیگر طبقات کمپرسور، عملیات باز طراحی زوایای نصب پره های بهینه شده و پره های پایین دست آنها انجام می شود. در این تحقیق بهینه سازی عملکرد و بازده یک کمپرسور صنعتی جریان محوری 10 طبقه مورد بررسی قرار گرفته است. این کمپرسور مربوط به یکی از پرکاربردترین موتورهای توربینی صنایع نفت و گاز کشور می باشد. برای بررسی اثرات باز طراحی زوایای نصب بر میزان بهبود های انجام شده در عملکرد کمپرسور، بهینه سازی جریان میان گذر در دو حالت افزایش بازده فقط با طراحی دوباره سه طبقه میانی کمپرسور و بهبود بازده با طراحی دوباره طبقات میانی و بهینه سازی زاویه نصب طبقات انتهایی انجام شده است. نتایج حاکی از آن است که عدم استفاده از باز طراحی زاویه نصب طبقات انتهایی مقدار بهبودهای ایجاد شده در عملکرد کمپرسور بهینه شده را به یک سوم کاهش می دهد. بهبود بازده کمپرسور در دبی طراحی با استفاده از روش ارائه شده در این تحقیق موجب افزایش5/1 درصدی بازده و افزایش 13 درصدی نسبت فشار شده است. بهبود بازده در دبی طراحی منجر به کاهش ضریب افت فشار سکون پره های بهینه شده در زاویه حمله طراحی شده است. از آنجا که بهبود بازده فقط در دبی طراحی مد نظر بوده است، بازه مجاز زوایای حمله پروفیل های بهینه شده نسبت به پروفیل های کمپرسور مورد بررسی کاهش یافته است. برای ارزیابی توانمندی روش ارائه شده در بهینه سازی کمپرسور در شرایط خارج از طراحی، بهینه سازی با سه هدف افزایش بازده در دور 100درصد دور نامی، بهینه سازی بازده در دور 95 درصد دور نامی و بهبود توام بازده در دورهای 100 و 95 درصد دور نامی انجام شده است. بهینه سازی کمپرسور با هدف بهبود بازده هم در شرایط طراحی و هم خارج از طراحی موجب محدود شدن بهبود های ایجاد شده در بازده کمپرسور بهینه شده می شود. بطوری که میزان بهبودهای ایجاد شده در بازده کمپرسور در حالت بهبود توام بازده در دورهای 100 و 95 درصد دور نامی 30 درصد کمتر از حالت های دیگر است.

در این تحقیق دو مدل عددی دو بعدی، دوفازی و پایا، در نرم افزار کامسول توسعه داده شده است. توسعه ی یک مدل دوفازی از کل اجزای پیل سوختی پلیمری در کامسول برای نخستین بار در جهان انجام گردیده است. مدل اول این تحقیق، یک مدل تک کاناله از تمامی اجزای پیل سوختی است، در حالیکه دامنه ی مدل دوم، شامل سمت کاتد پیل سوختی با سه کانال عبور هوا می شود. از آنجا که آب گرفتگی در پیل های سوختی پلیمری از جمله مهمترین موانع تجاری سازی آنها محسوب می شود، به کمک مدل دوم اثر پارامترهای موثر بر جریان عرضیِ بین کانالی بررسی شده است. جریان عرضی و پدیده ی مویینگی، مکانیسم های خروج آب از محیط های متخلخل به شمار می روند، اما مکانیسم جریان عرضی در مقالات کمتر مورد توجه قرار گرفته است. معادلات مکسول استفان و دارسی به ترتیب برای محاسبه ی توزیع گونه ها و توصیف حرکت فاز گاز در محیط متخلخل استفاده شده اند. برای توصیف حرکت فاز مایع، علاوه بر مویینگی، اثر جریان عرضی نیز بر نحوه ی حرکت آب در نظر گرفته شده است. معادله ی اهم نیز بستگی جریان الکترون ها و پروتون ها را به توزیع پتانسیل الکتریکی و یونی نشان می دهد. بر اساس نتایج مدل های مورد تحقیق، افزایش افت فشار بین کانال های مجاور در پیل و نفوذپذیریِ محیط های متخلخل، هر دو سبب افزایش جریان عرضی و تخلیه ی آب از این محیط ها می شوند که در نتیجه، افزایش چگالی جریان را در پی دارد. افزایش رطوبت نسبی در کانال های ورودی هوا و سوخت نیز تا جاییکه باعث آب گرفتگی نشود، سبب افزایش رسانش یونی و بهبود عملکرد پیل خواهد شد. همچنین افزایش خاصیت آب گریزی مواد سازنده ی پیل به خروج بهتر آب از آن کمک می کند.