تونل باد آموزش پرواز، یک نوع تونل باد عمودی است که شرایط واقعی که فرد در حالت پرواز در آسمان دارد را درون یک اتاق استوانه ای شکل فراهم می آورد. در این اتاق، جریان هوایی با سرعت بیش از 60 متر بر ثانیه فرد را به صورت شناور درمی آورد که این کار توسط فن های پر قدرت طراحی شده، صورت می پذیرد. تعیین ضرایب درگ اجسام مورد مطالعه در اتاق پرواز، از کلیدی ترین مشخصه هایی است که برای محاسبه وزن قابل تحمل مدل توسط نیروی باد، باید مورد استفاده قرار گیرد. نقطه عملکرد فن های مورد نیاز، از محاسبه افت فشار استاتیک کانال های تشکیل دهنده و دبی حجمی لازم در اتاق پرواز، طراحی شده است. انتخاب ابعاد مناسب کانال های تشکیل دهنده تونل باد نیز از دیگر نکاتی است که برای جلوگیری از پیدایش جدایش باید به آن توجه نمود. یک سیستم تعویض هوای خودکار، بدون نیاز به فن اضافی جهت ورود هوای تازه از محیط بیرون و در نتیجه تعدیل دمای افزایش یافته درون تونل باد، طراحی و تعبیه شده است. در این پایان نامه ابتدا با مقایسه نتایج عددی به دست آمده با نتایج تجربی موجود در منابع، به محاسبه ضریب درگ اجسام مختلف در اتاق پرواز پرداخته شده؛ سپس با استفاده از روابط تجربی و تحلیلی موجود، تونل باد عمودی مدار بسته دومداره ای در مقیاس آزمایشگاهی (10/1) طراحی و ساخته شده است. در نهایت با مقایسه تونل باد عمودی دومداره ساخته شده با یک تونل باد عمودی مداربسته تک مداره به این نتیجه رسیدیم که با افزایش تعداد مدارهای برگشتی تونل باد عمودی به دو مدار، توان مصرفی مورد نیاز برای شرایط مشابه، در اتاق پرواز به طور نسبی حدود 30 درصد کاهش می یابد.

در پژوهش حاضر، جریان و انتقال حرارت اطراف یک سیلندر استوانه ای دو بعدی که اطراف آن توسط یک نوار متخلخل اشباع شده از سیال پوشیده شده، به صورت عددی و با استفاده از مدل غیر دارسی مورد مطالعه قرار گرفته است. در بیشتر مطالعات عددی انجام شده از مدل دارسی به دلیل سادگی حل برای مدل سازی انتقال ممنتوم در محیط متخلخل استفاده می گردد، در حالی که این مدل تنها برای حالت هایی که میزان نفوذپذیری محیط متخلخل بسیار پایین و یا سرعت جریان سیال در محیط کوچک باشد، معتبر می باشد. در این پژوهش برای مدل سازی انتقال ممنتوم در محیط متخلخل از مدل دارسی-برینکمان-فرچهایمر که یکی از کامل ترین مدل های ارائه شده می باشد، بهره گرفته شده است. معادلات حاکم بر مسئله متشکل از معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی به همراه شرایط مرزی مربوطه پس از بی بعد سازی با استفاده از پارامترهای بدون بعد مناسب، به روش حجم و به کمک الگوریتم سیمپل به صورت عددی حل شده اند. به علاوه، اثر حضور میدان مغناطیسی خارجی در اطراف سیلندر در حالاتی که سیال رسانای جریان الکتریسیته باشد نیز بر روی مشخصه های جریان و انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده برای محدوده ی وسیعی از اعداد بدون بعد حاکم از جمله عدد دارسی، عدد رینولدز و عدد استوارت نمایش داده شده اند. در پایان نیز دو فرمول پیشنهادی برای عدد ناسلت میانگین اطراف سیلندر بر حسب عدد دارسی و عدد رینولدز ارائه شده است که اثرات میدان مغناطیسی و هدایت حرارتی ناحیه متخلخل در این دو فرمول لحاظ شده است.

در این پایان نامه جریان دو بعدی و سه بعدی در محیط متخلخل به روش شبکه بولتزمن شبیه سازی هیدرودینامیکی شده است. به عنوان محیط متخلخل دو بعدی از یک دامنه با توزیع تصادفی با موانع چهار ضلعی بهره گرفته شد. برای محیط سه بعدی از آرایه ای از کره ها درون یک سلول واحد با آرایش های sc و bcc به عنوان محیط سه بعدی با توزیع منظم، و از آرایه ای از کره ها با توزیع تصادفی و با شعا ع های مختلف درون یک سلول واحد به عنوان نماینده ای از محیط سه بعدی نامنظم استفاده شد. همچنین محیطی شامل سیلندرهایی با توزیع منظم مربعی و شش ضلعی و محورهای عمود بر جهت جریان به عنوان هندسه ای دیگر از یک محیط متخلخل بررسی گردید. هدف اصلی تمام شبیه سازی ها محاسبه نفوذ پذیری به عنوان موثرترین پارامتر ماکروسکوپیک یک محیط متخلخل بوده است. در مرحله بعد تاثیر پارامترهای هندسی محیط متخلخل از جمله تخلخل، رزولوشن و نسبت ارتفاع به پهنای موانع بر نفوذ پذیری و پیچ و خم بررسی گردید. نتایج بدست آمده با سایر نتایج تجربی، تحلیلی، و عددی موجود در ادبیات اعتبار سنجی شده است. مشاهده شد که نفوذ پذیری تابعی از پارامترهای هندسی محیط مانند تخلخل، قطر فیبرها در محیط فیبری، و رزولوشن شبکه میباشد. با توجه به نتایج نفوذ پذیری با در نظر گیری نسبت عرض به طول موانع و تخلخل در محیط دو بعدی برای 73 نمونه، و شعاع کره ها و تخلخل در محیط سه بعدی تصادفی با 29 نمونه، روابطی برای محاسبه نفوذ پذیری برای محیط های دو بعدی و سه بعدی تصادفی ارائه گردید که حاصل بهترین برازش ممکن از میان 65 نوع تابع غیر خطی مورد آزمایش بوده و به ترتیب دارای خطای برازش 2.43 و 4 درصد هستند. همچنین منابع خطای روش شبکه بولتزمن برای محیط متخلخل کشف شد که از آن جمله میتوان به اثر منفی افزایش انحنای سطوح مرز جامد-سیال روی دقت نتایج اشاره کرد. بنابراین عمده انحراف نتایج از نتایج تحلیلی در تخلخل های پایین مشاهده میشود. بهبود این امر با شبکه بندی غیر کارتزین برای محدوده مرزهای منحنی میسر است. همچنین در صورتی که رزولوشن شبکه پایین باشد، نتایج مقداری انحراف از نتایج عددی خواهند داشت. از شبکه های d2q9 برای حالت دو بعدی و d3q15 (و در صورت لزوم d3q19 ) برای حالت سه بعدی جریان استفاده شد. برای ایجاد هندسه مورد نظر به جای روش عکسبرداری از محیط متخلخل واقعی، از روشی جایگزین یعنی ساخت مجازی محیط استفاده شده است. شبیه سازی دو بعدی طبیعتاً به هندسه ساده تری نیاز دارد. در مقابل برای شبیه سازی سه بعدی ابتدا حجم سه بعدی از محیط (مثلاً شامل آرایه ای از کره ها درون سلول مکعبی واحد) با برنامه solidworks و کدهایی به زبان c++ تولید شد. سپس این حجم به مسلسلی از تصاویر دو بعدی، هر تصویر نماینده برشی از حجم اولیه، تجزیه گردید. در نهایت تصاویر دو بعدی توسط یک برنامه پردازش تصویر به یک فایل با فرمت قابل شناسایی توسط کد شبیه ساز تبدیل شد. روش دیگری که برای ساخت هندسه های سه بعدی جهت شبیه سازی آرایه های منظم کره ها استفاده شد ساخت یک فایل متنی ascii شامل اعداد صفر و یک بود که «صفر» نماینده نقاط سیال و «یک» نماینده نقاط جامد بود. شبیه سازی عددی به دو روش انجام شد: اول کد های نوشته شده به زبان برنامه نویسی فرترن و دوم، تغییر و شخصی سازی کد های دریافت شده به زبان c++ از اینترنت. در روش دوم ابتدا پکیج های عددی منبع باز موجود در اینترنت دانلود و با یکدیگر مقایسه شد. سپس تغییراتی بر کدهای منبع این شبیه سازها برای رسیدن به نتایج این پروژه اعمال شد. در نهایت پکیج های lb2d-prime و lbflow شخصی سازی و استفاده گردید.

نیاز صنعت به مواد خام اولیه همچون فولاد و نیز کاهش هزینه¬های تولید باعث استقبال از مدلسازی¬های عددی و شبیه¬سازی¬های نرم¬افزاری برای توسعه و بهبود فرایندهای تولید، گشته است. در مطالعه حاضر، قسمت میانی کوره احیاء مستقیم آهن (میدرکس) که در آن واکنش احیاء صورت می¬پذیرد، به صورت دوبعدی بررسی شده است. به دلیل اهمیت کاهش بازگشت-ناپذیری¬ها و استفاده بهینه از انرژی، تولید انتروپی ناشی از انجام واکنش¬های شیمیایی بین فاز گاز و جامد و انتقال حرارت که عوامل غالب در تولید انتروپی درون کوره هستند، مورد مطالعه قرار گرفته شده است. مدل¬های مختلفی جهت مدل¬سازی واکنش فاز جامد و گاز در جریان¬های گاز – جامد وجود دارد که در این مطالعه مدل هسته منقبض شده غیر واکنشی استفاده شده و شرط هم¬دمایی نیز در نظر گرفته شده است. مدل اویلری برای جریان دو فازی مذکور به کار گرفته شده است. تولید انتروپی برای سه دبی جرمی ورودی مختلف از گاز احیاء و سه اندازه متفاوت از پلت¬های آهن مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده گردید که با افزایش دبی جرمی ورودی گاز احیاء تولید انتروپی درون کوره افزایش و با افزایش شعاع پلت¬¬های آهن تولید انتروپی کاهش می¬یابد.