محیط متخلخل و پدیده انتقال حرارت و جرم در آن، موضوعی است که توجه بسیاری از محققین شاخه‌های مختلف علوم را به خود معطوف نموده است. روش‌های تجربی، بررسی‌های تئوری و شبیه‌سازی‌های عددی  بسیاری که در این زمینه در مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی عمران، زمین شناسی و. . . صورت گرفته است مهر تصدیقی بر ادعای فوق می‌باشد.

 

به علت کاربرد وسیع و روزافزون محیط متخلخل در زمینه‌های مختلف مهندسی همواره نیاز به مطالعات اساسی درباره‌ی چگونگی انتقال جرم و حرارت در محیط متخلخل وجود داشته است، چرا که بررسی‌های دقیق، ابزاری برای بهبود بخشیدن به سیستم‌های مهندسی حاوی مواد متخلخل و بالا بردن کیفیت و کارایی آنها می‌باشد. از موارد کاربرد فوق می‌توان به عایق‌سازی حرارتی ساختمان‌ها، عملیات حرارتی در زمین، راکتور‌های کاتالیزوری شیمیایی، آلودگی آب‌های زیرزمینی، صنعت سرامیک، تکنولوژی زیست‌شناختی، واحدهای ذخیره انرژی، مبدل‌های حرارتی، خنک‌سازی، وسایل الکترونیکی، مخازن نفتی و نمونه‌های دیگر از این دست اشاره نمود. از طرفی در بسیاری از موارد، کوچک‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت از یک‌سو و افزایش شار حرارتی از سوی دیگر، نیاز به انتقال حرارت در زمان کوتاه و شدت بالا را ضروری می‌سازد. در مواردی که نیاز به انتقال شار حرارتی زیاد از محیط جامد به سیال است، روش‌‌های موجود نظیر تغییر در دینامیک سیال، هندسه جریان، شرایط مرزی و. . . به تنهایی نمی‌توانند از عهده‌ی تقاضای روز افزون کنترل انتقال حرارت در فرآیندهای موجود برآیند. لذا نیاز فوری به مفاهیم جدید و بدیع جهت کنترل انتقال حرارت احساس می‌شود. تکنولوژی نانوسیال پتانسیل بالایی را برای کنترل سیستم‌های مشمول انتقال حرارت در حجم کوچک ارائه می‌دهد. به این معنا که با اضافه نمودن مواد افزودنی به سیال پایه می‌توان در جهت بهبود خواص ترموفیزیکی آن عمل نمود. در این میان میدان‌های مغناطیسی خارجی در بسیاری از جریان‌های طبیعی و صنایع تاثیرگذار هستند. به شاخه‌ای از مطالعات که به اثر متقابل بین میدان مغناطیسی و سیال هادی در حال حرکت می‌پردازد، هیدرودینامیک مغناطیسی[1] MHD می‌گویند. بررسی این شاخه منوط به دانستن معادلات حاکم بر مغناطیس و سیالات و تاثیر هر کدام از پارامترهای این دو دانش بر یکدیگر می‌باشد. در مطالعه حاضر اثر پدیده MHD بر میدان‌های سرعت، دما و غلظت و هم‌چنین انتقال جرم و حرارت نیز منظور گردیده است.

 

2-1- مروری بر کارهای گذشته

 

در سال 1988 ناکایاما[1] و همکاران حل انتگرالی را برای جریان جابه‌جایی آزاد غیردارسی روی صفحه مسطح عمودی و یک مخروط عمودی در محیطی متخلخل اشباع ارائه دادند[1]. آنها نشان دادند که با افزایش عدد گراشف نرخ انتقال حرارت کاهش می‌یابد. این در حالی اتفاق می‌افتد که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با عدد گراشف رابطه مستقیم دارد و با افزایش آن افزایش می‌یابد.

 

در سال 1999 مورثی[2] و سنق[3] انتقال جرم و حرارت را روی یک صفحه مسطح عمودی واقع در محیطی متخلخل و تحت جابه‌جایی طبیعی بررسی کردند[2]. آنها مشاهده کردند که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد شده با کاهش پارامتر شار جرمی یعنی با تغییر حالت مکش به حالت دمش افزایش می‌یابد. با افزایش عدد گراشف ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد و غلظت بی‌بعد افزایش می‌یابد. همچنین آنها نتیجه گرفتند که با افزایش شار جرمی سطح، کاهش عدد گراشف و همچنین با افزایش پارامتر نرخ شناوری، نرخ انتقال حرارت و انتقال جرم بی‌بعد نیز افزایش خواهد یافت.

 

در سال 2003 وانگ[4] و همکاران با روش تحلیلی هموتوپی[5] انتقال جرم و حرارت را در مجاورت دیوار عمودی واقع در محیطی متخلخل و تحت جابه‌جایی طبیعی و با فرض جریان غیر‌دارسی مطالعه کردند[3]. آنها نشان دادند که پروفیل دمای بی‌بعد، سرعت بی‌بعد و غلظت بی‌‌بعد با ثابت در نظر گرفتن اعداد گراشف، عدد لوئیس و نسبت شناوری با کاهش شار جرمی یعنی انتقال از حالت مکش به حالت تزریق افزایش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که انتقال حرارت بی‌بعد در حالت دمش بیشتر از موارد دیگر است.

 

در سال 2004 ال-امین[6] اثر پراکندگی را بر انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی طبیعی در محیطی متخلخل و برای جریان دارسی و غیر‌دارسی بررسی کرد[4]. وی نتیجه گرفت که انتقال حرارت بی‌بعد در جریان دارسی بیشتر از جریان غیر‌دارسی است و با افزایش پارامتر جریان غیر‌دارسی انتقال حرارت بی‌بعد کاهش می‌یابد و پروفیل سرعت بی‌بعد در نزدیکی دیوار کاهش می‌یابد و هرچه از ابتدای دیوار دورتر می‌شویم با افزایش پارامتر جریان غیر‌دارسی افزایش می‌یابد. او همچنین نتیجه گرفت که با افزایش ضریب پراکندگی، ضخامت لایه مرزی سرعت کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد.

 

در سال 2006 پال اثر میدان مغناطیسی را بر انتقال حرارت جابه‌جایی ترکیبی روی یک صفحه عمودی گرم شده در محیطی متخلخل و با ضریب تخلخل متغییر بررسی کرد[5]. با فرض دمای دیوار ثابت و بالاتر از دمای محیط، وی گزارش داد که ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر میدان مغناطیسی و افزایش اینرسی محلی افزایش خواهد یافت. در حالی که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر میدان مغناطیسی و کاهش اینرسی محلی افزایش می‌یابد.

 

در سال 2009 مهدی[7] و محمد[8] اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جریان جابه‌جایی طبیعی روی صفحه عمودی موج‌دار در محیطی متخلخل و تحت جریان غیر‌دارسی بررسی کردند[6]. آنها با ثابت فرض کردن دامنه موج نشان دادند که با افزایش عدد گراشف و پارامتر مگنتوهیدرودینامیک ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد. همچنین آنها نشان دادند که با کاهش دامنه موج، کاهش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک و کاهش عدد گراشف عدد ناسلت افزایش می‌یابد.

 

در سال 2009 رشیدی[9] از روش تبدیل دیفرانسیلی برای حل معادلات لایه مرزی تحت مگنتوهیدرودینامیک استفاده کرد[7]. او نشان داد که سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک کاهش می‌یابد. او همچنین گزارش داد که روش تبدیل دیفرانسیلی برای معادلات لایه مرزی و شرط بی‌نهایت از تقریب خوبی برخوردار نیست و برای ترفیع ناکارامدی این روش از روش دی-تی-ام پده[10] استفاده کرد و نشان داد که نتایج بدست آمده از این روش با نتایج عددی کاملا مطابقت دارد.

 

در سال 2010 پال[11] به مطالعه انتقال حرارت جابه‌جایی در جریان جا‌به‌جایی ترکیبی روی یک صفحه عمودی گرم شده در محیط متخلخل پرداخت. وی برای حل معادلات از روش رانگ کوتا[12] استفاده نمود[8]. وی با بررسی تاثیر عدد پرانتل و پارامتر اینرسی محلی روی پروفیل دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد نشان داد که با افزایش عدد پرانتل و افزایش پارامتر اینرسی محلی پروفیل‌های دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابند.

 

در سال 2010 رشیدی و همکاران از روش دی-تی-ام پده برای حل معادلات جابه‌جایی ترکیبی حاکم بر صفحه مسطح مورب و در محیطی متخلخل بهره گرفتند[9]. آنها نتیجه گرفتند که با افزایش شار جرمی ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. همچنین نشان دادند که برای حل معادلات لایه مرزی به روش دی-تی-ام پده، انتخاب یک مرتبه مناسب برای این روش بسیار مهم و تاثیرگذار است.

 

در سال 2011 گیانگ سان[13] و پاپ[14] جابه‌جایی آزاد در یک کانال مثلثی، در محیطی متخلخل و پر شده از نانوسیال که روی دیوار آن یک فلشر گرما ساز نصب شده است را مطالعه نمودند[10]. آنها از قانون جریان دارسی در محیط متخلخل و از مدل ماکسول برای ضریب هدایت گرمایی نانوسیال‌های مس، اکسید‌آلومینیم و اکسید‌تیتانیوم استفاده کردند و گزارش دادند که برای عدد رایلی پایین با افزایش کسر حجمی نانوذرات، عدد ناسلت کاهش می‌یابد. از میان نانوذرات مختلف، نانوذره مس نسبت به اکسید‌تیتانیوم و اکسید‌آلومینیم به 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  دلیل داشتن ضریب هدایت گرمایی بالاتر، عدد ناسلت بالاتری هم داراست. اکسید تیتانیوم نیز به دلیل داشتن ضریب هدایت گرمایی کمتر، عدد ناسلت کمتری دارد.

 

در سال 2011 کیشن[15] و همکاران انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی طبیعی روی یک سطح عمودی که از هر دو طرف در محیطی متخلخل قرار گرفته است را تحت تاثیر میدان مغناطیسی بررسی کردند. آنها نشان دادند که با افزایش شدت میدان مغناطیسی پروفیل سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد در حالیکه پروفیل دمای بی‌بعد در نزدیکی‌های دیوار افزایش می‌یابد ولی در نقاط دورتر از دیوار کاهش می‌یابد[11].

 

در سال 2011 حمد[16] به مطالعه‌ی اثر نانوذرات بر جابه‌جایی طبیعی اطراف یک صفحه افقی مسطح و تحت تاثیر میدان مغناطیس پرداخت. وی از نانوذراتی مانند مس، جیوه، اکسید‌تیتانیوم و اکسید‌آلومینیم استفاده کرد[12]. برای نانوسیال آب- مس، با استفاده از مدل ماکسول[17] نشان داد که با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک، ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش و ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. او همچنین نشان داد که انتقال حرارت بی‌بعد با کسر حجمی نانوذرات و پارامتر مگنتوهیدرودینامیک رابطه عکس دارد و با افزایش این پارامترها کاهش می‌یابد.

 

در سال 2012 محمودی[18] و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جابه‌جایی طبیعی نانوسیال آب- مس در یک کانال مثلثی مطالعه کردند. آنها برای تاثیر ذرات نانو در هدایت حرارتی سیال پایه از مدل پتل استفاده نمودند[13]. آنها نتیجه گرفتند که عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی و کاهش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک کاهش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که پروفیل سرعت بی‌بعد با افزایش کسر حجمی در نزدیکی دیوار افزایش می‌یابد ولی در فواصل دورتر از ابتدای دیوار کاهش می‌یابد. در سال 2012 جشیم یودین[19] و همکاران انتقال جرم و حرارت را بر جریان لغزشی لایه مرزی تحت مگنتوهیدرودینامیک، روی هندسه‌ی صفحه افقی و تحت تولید حرارت مطالعه نمودند[14]. آنها نشان دادند در حالت مکش با افزایش پارامتر شار جرمی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد کاهش می‌یابد. اما در حالت دمش رفتار متفاوتی مشاهده می‌شود بطوری که با کاهش پارامتر شار جرمی ضخامت لایه مرزی سرعت و دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد.

 

در سال 2012 نعمتی[20] و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جریان جابه‌جایی طبیعی نانوسیال در یک محفظه مستطیلی با استفاده از مدل شبکه بولتزمن [21] مطالعه کردند[15]. آنها برای نانوسیال آب- اکسید‌مس نشان دادند که عدد ناسلت متوسط با کاهش عدد هارتمن[22] و افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد و همچنین گزارش دادند با افزایش عدد رایلی، عدد ناسلت افزایش خواهد یافت. در نهایت هم با افزودن نانوذرات و هم با افزایش کسر حجمی عدد ناسلت متوسط افزایش می‌یابد.

 

در سال 2012 جشیم اودین و همکاران جریان لایه مرزی جابه‌جایی آزاد بر صفحه تخت افقی گرم شده در محیطی متخلخل و احاطه شده با نانوسیال را بررسی کردند. مدل استفاده شده برای نانوسیال شامل حرکت براونی است[16]. آنها نشان دادند با افزایش نرخ اینرسی، افزایش پارامتر شار جرمی و افزایش پارامتر حرکت براونی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد افزایش می‌یابد ولی ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر حرکت براونی، افزایش شار جرمی و کاهش عدد لوئیس افزایش می‌یابد. نرخ انتقال حرارت بی‌بعد نیز با افزایش پارامتر شارجرمی و کاهش عدد لوئیس افزایش می‌یابد.

 

در سال 2012 رسکا[23] و همکاران جابه‌جایی ترکیبی غیر‌دارسی را بر صفحه افقی در محیطی متخلخل اشباع شده مطالعه کردند. آنها دمای صفحه را در راستای افقی متغیر در نظر گرفتند و از نانوذرات مس، اکسید‌آلومینیم و اکسید‌تیتانیوم با استفاده از مدل ماکسول برای مسئله خود بهره گرفتند[17]. آن‌ها نشان دادند که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر جابه‌جایی مرکب، افزایش پارامتر اینرسی و همچنین افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد و ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر جابه‌جایی مرکب نه تنها افزایش می‌یابد بلکه مقدار سرعت در نواحی مجاورت دیواره نیز افزایش می‌یابد. آنها همچنان نتیجه گرفتند که پروفیل سرعت بی‌بعد در نزدیکی دیوار با افزایش کسر حجمی کاهش می‌یابد ولی در انتهای دیوار تاثیرپذیری کمتر دارد و انتقال حرارت بی‌بعد با افزایش کسر حجمی، کاهش پارامتر اینرسی و افزایش پارامتر جابه‌جایی مرکب افزایش می‌یابد.

 

در سال 2012 واسو[24] و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی آزاد اطراف کره‌ای واقع شده در محیطی متخلخل و تحت جریان غیر‌دارسی مطالعه کردند[18]. آنها نشان دادند که با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک از عدد صفر تا ده ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش جزئی می‌یابد ولی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با نسبت بیشتری کاهش می‌یابد. همچنین با افزایش عدد پرانتل هم پروفیل دمای بی‌بعد و هم سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. برای نرخ شار جرمی نیز نشان دادند که با افزایش آن ضخامت لایه‌های مرزی مشابه عدد پرانتل کاهش می‌یابند.

 

[1]  A. Nakayama

 

[2]  P. V. S. N. Murthy

 

[3]  P. Singh

 

[4]  Chun Vang

 

[5]  Homotopy Analysis Method 

 

[6]  M. F. El-Amin

 

[7]  A. Mahdy

 

[8]  R. A. Mohamed

 

[9]  M. M. Rashidi

 

[10]  DTM-Pade’

 

[11]  D. Pal

 

[12]  Runge-Kutta

 

[13]  Qiang Sun

 

[14]  Pop

 

[15]  N. Kishan

 

[16]  M. A. A. Hamad

 

[17]  Maxwell Model

 

[18]  A. H. Mahmoudi

 

[19]  M. D. Jashim Uddin

 

3   H. Nemati

 

[21]  Lattice Boltzmann Model

 

[22]  Hartman Number

 

[23]  A. V. Rosca

 

[24]  B. Vasu

در این فصل، ابتدا فرایندهای شکل­دهی فلزات معرفی و دسته­بندی شده و به جایگاه هیدروفرمینگ در بین آنها اشاره می‌شود. پس از معرفی فرایند هیدروفرمینگ و انواع آن، توضیح مختصری پیرامون منحنی­های­ حد شكل­دهی، كاربردهای آن و روش­ بدست آوردن آن ارائه خواهد شد. سپس مروری بر پژوهش­های انجام شده توسط محققان دیگر، در ارتباط با این پایان­نامه ارائه می­گردد. در نهایت اهداف و ویژگی‌های پایان­نامه حاضر شرح داده می­ شود.

 

2-1- معرفی فرایندهای شکل­دهی فلزات

 

به طور كلی فرایندهای شكل­دهی فلزات را می‌توان به دو گروه عمده دسته­بندی كرد [1]:

 

الف- شكل­دهی حجمی[1]

 

ب- شكل­دهی ورق[2]

 

شكل­دهی حجمی دارای دو مشخصه متمایز زیر است [1]:

 

1- شكل یا سطح مقطع قطعه­كار، تغییر شكل مومسان دائمی و زیاد پیدا می‌كند.

 

2- مقدار تغییر شكل مومسان[3] در این فرایند نسبت به تغییر شكل كشسان[4] معمولاً به قدری زیاد است كه از برگشت فنری[5] قطعه بعد از تغییر شكل صرف­نظر می‌شود.

 

فرایندهای حدیده­كاری[6]، آهنگری[7]، نوردكاری[8] و كشش[9] مثال­هایی از فرایندهای شكل‌دهی حجمی فلزات می‌باشند.

 

مشخصه­های فرایندهای شكل‌دهی ورق چنین است [1]:

 

1- شكل اولیه قطعه­كار به صورت ورق است.

 

2- این فرایند شكل‌دهی معمولاً تغییر قابل توجهی در هندسه قطعه به وجود می‌آورد، اما مساحت سطح مقطع جسم، چندان تغییر نمی­كند. 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

3- گاهی تغییر شكل­های مومسان و كشسان از یک مرتبه‌اند. بنابراین نمی‌توان از برگشت فنری چشم‌پوشی كرد.

 

فرایندهای کشش عمیق[10]، خمکاری[11] و شکل­دهی چرخشی[12] نمونه­هایی از فرایندهای شكل‌دهی ورق هستند.

 

3-1- معرفی فرایند هیدروفرمینگ

 

هیدروفرمینگ یكی از فرایند‌های شكل‌دهی فلزات است كه در آن از یك سیال تحت فشار به منظور ایجاد تغییر شكل پلاستیك در قطعه اولیه كه به شكل ورق یا لوله است، استفاده می‌شود. در هر یك از فرایندهای هیدروفرمینگ، همواره به یک پرس، قالب و یک سیستم تقویت­کننده فشار نیاز است [2, 3]. به طور کلی، در فرایند هیدروفرمینگ، به­علت توزیع فشار یکنواخت سیال بر سطح قطعه، محصولی با خواص مکانیکی مطلوب به­دست می‌آید. از دیگر مزایای هیدروفرمینگ می‌توان به قابلیت تولید قطعات پیچیده، دقت ابعادی بهتر و بهبود شکل­دهی موادی که قابلیت شکل­دهی کمی دارند، اشاره کرد. از طرف دیگر، این فرایند دارای معایبی است كه از آن جمله می‌توان به چرخه آرام تولید و تجهیزات گران قیمت اشاره كرد [2]. هیدروفرمینگ علاوه بر كاربردهای متعددی كه در صنایع هوافضا دارد، از دهه 1990 به طور گسترده در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار گرفته است. از كاربردهای عمده این فرایند در صنعت خودروسازی می‌توان به ساخت قطعات سیستم اگزوز خودرو، قطعات شاسی، اجزای موتور و قطعات بدنه خودرو اشاره كرد.

 

1-3-1- تاریخچه فرایند هیدروفرمینگ

 

تاریخچه استفاده از سیال به­منظور شكل‌دهی فلزات به بیش از 100 سال قبل باز می‌گردد. كاربردهای اولیه این فرایند در ساخت دیگ‌های بخار و ادوات موسیقی بوده است. با این وجود مبانی هیدروفرمینگ در دهه 1940 بنیان­گذاری شده است. اولین كاربرد ثبت شده فرایند هیدروفرمینگ توسط میلتون گاروین از شركت شایبل آمریكا در دهه 1950 میلادی بوده است كه در ساخت ظروف آشپزخانه از این فرایند بهره جسته است. ساخت اتصالات T- شكل مسی در صنعت لوله‌كشی تا دهه 1990 میلادی رایج‌‌ترین كاربرد این فرایند بوده است. از دهه 1990، با توجه به پیشرفت‌های صنعتی در كنترل كامپیوتری، سیستم‌های هیدرولیكی و راهبردهای نوین فرایندهای طراحی و ساخت، این فرایند كاربرد ویژه‌ای در صنعت پیدا كرده و جایگزین بسیاری از فرایندهای آهنگری و مهرزنی به ویژه‌ در قطعات وسایل نقلیه شده است [4].

 

[1] Bulk forming

 

[2] Sheet forming

 

[3] Plastic deformation

 

[4] Elastic deformation

 

[5] Spring back

 

[6] Extrusion

 

[7] Forging

 

[8] Rolling

 

[9] Drawing

 

[10] Deep drawing

 

[11] Bending

تا كنون روشهای ریاضی و ترمودینامیكی مختلفی برای بهینه سازی و طراحی سیستم سرویس های جانبی و انتخاب سطوح فشار خطوط اصلی بخار پیشنهاد شده است كه در سطور آینده به برخی از آنها  اشاره می گردد.

 

یكی از مهمترین مسائل در طراحی سیستم سرویس های جانبی، انتخاب سطوح فشار خطوط اصلی بخار می باشد. در سال 1977، نیشیو برای اولین بار موضوع انتخاب سطوح بهینه فشار خط اصلی بخار را مطرح كرد و یك روش جستجوی مستقیم را كه با حل همزمان معادلات كوپل شده بود، ارائه نمود]1[.

 

سپس نیشیو و جانسون[1] یک روش ترمودینامیکی را پیشنهاد کردند، در این کار نیشیو و همکارانش از یک مدل LP  نیز به منظور انتخاب بهینه وسایلوتجهیزات مورد استفاده در سیستمهای تولید و توزیع بخار و توان و پیش بینی هزینه حداقل سرویسهای جانبی (Utilities ) استفاده كردند. این روش تلاش می کرد وسایلی برای سرویس جانبی انتخاب کند که اتلاف انرژی در دسترس برای هر واحد را حداقل کند و گرداننده های مورد استفاده  در فرآیند ( Drivers ) اعم از توربینها و موتورهای الکتریکی را با استفاده از برنامه ریزی خطی (LP)  بصورت بهینه مشخص كند. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی انرژی در دسترس، بر مبنای یک دسته از قوانین ابتکاری که برای تعیین ساختار کارخانه و شرایط طراحی به کار برده می شد، صورت می گرفت . اگر چه حداقل کردن اتلاف انرژی در دسترس به حداكثر کردن بازده کارخانه می انجامید، اما هزینه های سرمایه گذاری مربوط به واحدهای سرویس جانبی در این قسمت مورد توجه قرار نگرفته بود. همچنین یکی از نقاط ضعف چنین روشی این بود که برخی تصمیمات اصلی برای تعیین شکل کارخانه بر مبنای قوانین ابتکاری[2] بوده و در نتیجه ممكن است تعدادی از آلترناتیوهایی که شامل راه حل بهینه نیز باشند، را از دست بدهد. محدودیت مهم دیگر این بود كه هزینه های سرمایه گذاری با ظرفیت ها ، مطلقاً خطی در نظر گرفته شده بودند و بنابراین افزایش تولید به منظور سرشکن کردن هزینه سربار[3] در این مدل لحاظ نشده بود ]2[.

 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

در راستای استفاده از روشهای ترمودینامیكی، در سال 1982 براون[6]  نشان داد  كه هر سیستم سرویس جانبی ممكن است با نسبت توان به گرمای فرآیند (P/H) مشخص شود كه این نسبت  وابستگی ضعیفی به نوع سوخت مصرفی دارد. ( برای وسایل صنعتی عمومی ،  نسبت P/H  مورد نیاز كمتر از دو درصد است . )]4[

 

جدول 1-1 نسبت P/H متناسب برای هر سیستم سرویس جانبی را نشان می دهد. مطابق جدول صفحه بعد ، زمانیكه نسبت P/H بالا باشد از سیكل های تركیبی بخار-گاز استفاده می شود؛ لازم به ذكر است كه پیچیده ترین نوع سرویس جانبی، سیكل های تركیبی بخار-گاز است.

 

اما موضوع مهم در این كار مسئله طراحی و تجزیه و تحلیل برای یافتن سیستمی است كه بتواند گرما و توان مورد نیاز وسائل را با توجه به حداقل كردن مصرف انرژی و هزینه ی كل تأمین كند. روند كار چنین است كه نسبت توان به گرمای فرآیند برای وسایل، در یك مقدار مشخص شده، طراحی می شود. به عبارت دیگر نیازهای گرما و توان مورد نیاز باید به درستی تطابق داشته باشند، سپس مصرف گرما كه بوسیله گرمای خالص سوخت ورودی تعریف می شود، باید در نظر گرفته شود. از آنجا كه قیمت انرژی سیستم سرویس جانبی فاكتوری مهم در تجزیه و تحلیل و توزیع قیمت سالانه می باشد، در صورتیكه این موضوع مورد توجه قرار نگیرد مقدار واقعی هزینه ی كل ارزیابی نخواهد شد.

 

اما در راستای استفاده از روشهای ریاضی، پاپولیاس و گروسمن[1] در سال 1983 مسئله تركیبی تولید توان و گرما(CHP) را در زمینه یكپارچه سازی انرژی فرآیندهای شیمیایی ،  بررسی كرده اند .آنها مقالاتی در راستای استفاده از برنامه ریزی ریاضی برای چگونگی یكپارچه سازی شبكه سرویسهای جانبی ارائه كردند. در اولین مقاله، سیستم سرویس جانبی در قالب یك ابرساختار مدل شده است و می تواند با تأمین نیازها، بهینه شود. آنها برای بهینه سازی ساختار و پارامترهای سیستم سرویس جانبی با نیازهای ثابت توان و بخار، از یك روش MILP استفاده كردند. سیستم سرویس جانبی بهینه از یك ابرساختار  بدست آمد و با استفاده از توازنهای ساده ، مدل شد. كار بعدی آنها با احتساب تغییرات پیش بینی شده در نیازهای فرآیند به شكل یك الگوی نیاز سرویس جانبی چند مرحله ای توسعه یافت ؛ در دومین مقاله (پاپولیاس و گروسمن، (1983)، بارهای حرارتی ابرساختار سیستم سرویس جانبی ، متغیرهایی در فرمول بندی نمودار حرارت می شوند كه محاسبه تولید تركیبی كار مكانیكی و حداقل انرژی مورد نیاز را ممكن می سازد و در سومین مقاله، مدلهای سرویس جانبی و نمودار آبشاری گرما با یك روش MILP  عمومی برای سنتز كل سیستم، یكپارچه می شوند ]5،6 و 7 [.

 

در سال 1984 به منظور انتخاب فشار خطوط اصلی بخار، لینهوف و مورتون[2] منحنی های مركب گراند را پیشنهاد كردند ]8[ و در سال 1989، سوانی[3] یك سری انتقالی برای طراحی شبكه ها شامل موتورهای حرارتی و پمپ های حرارتی را گسترش داد. این راه حل آلترناتیوهای طراحی را مشخص می كرد و زمینه ای برای تصمیم گیری  در انتخاب جانمایی نهایی طرح را فراهم می آورد ]9[.

 

در سال 1994، رایسی با استفاده از روش تجزیه و تحلیل فرآیند كل، تعیین سطوح بهینه بخار و در نتیجه ی آن حداقل شدن مصرف سوخت (MFR) یا هزینه سرویس های جانبی (MUC) را ارائه كرد ]11[.

 

 همانطور كه ذكر شد یكپارچه سازی شبكه بخار مرحله ای مهم در انتگراسیون سیستم سرویس جانبی با هدف حداقل كردن هزینه ی انرژی مورد نیاز (MCER) می باشد، زیرا در فرآیند های صنعتی، شبكه بخار نقش خیلی مهمی را ایفا می كند و آن عبارت است از انتقال انرژی به داخل فرآیند و مابین فرآیند ها. از آنجا كه بخار می تواند قبل از مصرف در فرآیند برای تولید توان مكانیكی بوسیله توربینها منبسط شود، شبكه بخار به تولید تركیبی توان و گرما مرتبط می شود. در ابتدا مارشال و كالیتونتزف یك فرمول بندی MILP عمومی كه یكپارچه سازی سرویسهای جانبی برای تأمین انرژی مورد نیاز در كمترین هزینه را ممكن می ساخت، ارائه كردند. این فرمول بندی شامل توازن توان مكانیكی بود كه تولید تركیبی را امكانپذیر می نمود. سپس روشی بر مبنای مفاهیم ترمودینامیكی كه تعیین فشار بهینه در شبكه بخار را ممكن می سازد، ارائه كردند. مبنای كار آنها استفاده از سیكل رانكین می باشد. تجزیه و تحلیل انتگراسیون سیكل رانكین نشان می دهد كه این سیكل می تواند با مستطیلهای یكپارچه در منحنی تركیبی جامع (G.C.C.) موازنه شده، ارتباط داده شود؛ به این صورت كه اضلاع افقی مستطیل بوسیله دماهای تبخیر و میعان تعریف شوند و كار مكانیكی تولید شده متناسب با سطح مستطیلها باشد و بوسیله سیكل كارنو به صورت تقریبی تخمین زده شود. در نهایت مشخصات سیكل رانكین، به عبارت دیگر سطوح فشار و دمای فوق اشباع، از تعیین مستطیل ها به  دست خواهد آمد(شكل 1-1).

 

[1]. Papoulias & Grossmann

 

8 . Morton & Linnhoff

 

9. Swaney

 

9. Nishio & Johnson

 

9. Heuristic

 

9. Economy of Scale

 

9. Petroulas & Reklaitis

 

9. Dynamic

1-1- پیشگفتار

 

با توجه به کاربردهای وسیع لایه­های نازک، استفاده از این تکنولوژی در بسیاری از ادوات  اپتیکی، الکترونیکی و تجهیزات مربوط به انرژی خورشیدی متداول شده­است. از طرفی، اطلاع از خواص تشعشعی ساختارهای چندلایه[1] شامل لایه­های نازک، در بسیاری از کاربردهای عملی مانند فرایندهای گرمایی سریع[2] (RTP) [1و2] و سلول­های خورشیدی حائز اهمیت کلیدی می­باشد. یافتن ضخامت بهینه­ لایه­ها جهت دستیابی به خواص تشعشعی مورد نظر، کاربردهای مهمی در تجهیزات خنک­کننده­ تشعشعی[3]، آینه­های حرارتی[4]، کلکتورهای خورشیدی و سلول­های خورشیدی دارد، ولی با این وجود به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است.

 

لایه­ های نازک در کاربردها معمولا به شکل ساختارهای چندلایه مطابق شکل 1-1 استفاده می­شوند.

 

همان­طور که دیده می­شود یک لایه­ ضخیم(Substrate) با ضخامتی از order میلیمتر وجود دارد که در اطراف آن (یا فقط در یک سمت) لایه­های نازک قرار دارند. یکی از ویژگی­های مهم این ساختارها قابل تنظیم بودن خواص تشعشعی آن­ها است. خواص تشعشعی چنین ساختارهایی به عوامل متعددی بستگی دارد که در ادامه لیست می­شوند[3]:

 

1- تعداد لایه ها

 

2- جنس لایه ها

 

3- نحوه چینش لایه ها

 

4- ضخامت لایه ها

 

5- زاویه برخورد

 

6- دمای لایه ها

 

7- پلاریزاسیون پرتو برخوردی

 

با توجه به تغییرات طیفی خواص تشعشعی این لایه­ها می­توان با استفاده از ترکیب­های متنوع از لایه­های مختلف، خواص تشعشعی را در بازه­های مختلف طول موج تغییر داد. در نتیجه  در صورتیکه جنس و ضخامت لایه­ها به درستی انتخاب شود، می­توان به کمک ساختارهای چندلایه­ نازک به پوشش­های انتخابگر متنوع دسترسی پیدا کرد.

 

2-1- خنک­ کاری تشعشعی

 

بخشی از انرژی گسیل شده از خورشید در جو زمین جذب می­شود که این خود منجر به گسیل انرژی از سوی جو خواهد شد. درنتیجه شار انرژی تشعشعی وارد بر سطح زمین، از 2 بخش تشعشع خورشید  و تشعشع آسمان  تشکیل شده است(شکل 1-2). در این شکل شار تشعشعی برحسب GW/m3 (شار انرژی بر واحد سطح در بازه­ی طول موج 1 میکرومتر معادل 1000 W/m2) و MW/m3 (شار انرژی بر واحد سطح در بازه­ی طول موج 1 میکرومتر معادل 1 W/m2) آورده شده است. حدود 95 درصد تشعشع خورشید در بازه 0.3-2.4 μm وارد می­شود در صورتیکه، تشعشع آسمان عمدتا در بازه­ 4-85 μm و کاملا در محدوده  مادون قرمز قرار می­گیرد. در صورتیکه رطوبت خیلی زیاد نباشد، در بازه­ 8-13 μm تشعشع آسمان بسیار کم است. در سایر طول موج­ها تشعشع آسمان تقریبا بر یک توزیع پلانک در دمایی در حدود 300 کلوین منطبق است. به بازه­ 8-13 μm پنجره­ اتمسفری[1]  گفته می­شود. در این بازه اتمسفر به صورت یک چاه حرارتی عمل می­کند و تشعشع گسیل شده از اجسام واقع در سطح زمین با تشعشع ورودی جو بالانس نمی­شود. این واقعیت مبنای خنک­کاری تشعشعی است. به این ترتیب خنک­کاری، بدون مصرف انرژی امکان پذیر خواهد بود[4]. این روش در نگهداری مواد غذایی و دارویی، تهیه­ آب خنک، خنک­ کاری ساختمان­ها[5و6و7] و چگالش رطوبت هوا[8و9و10] کاربرد دارد.

 

در صورتیکه یک جسم سیاه در طول شب در هوای آزاد قرار گیرد، بیشترین توان خنک­کاری قابل دسترسی خواهد بود. ولی به دلیل تبادل حرارت جابه­جایی با هوا امکان خنک­کاری بیشتر از 10-20 ºC امکان پذیر نیست[12]. با استفاده از یک پوشش جابه­جایی[1]، با کاهش ضریب انتقال حرارت جابه­جایی در حالت ایده­آل می­توان به دمایی حدود 30-40 ºC پایین­تر از محیط رسید. ولی خواص تشعشعی طیفی متفاوت پوشش نسبت به هوا باعث کاهش توان خنک­کاری می­شود. ضریب عبور یک پوشش ایده­آل باید در بازه­ 8-13 μm برابر با 1 و در سایر طول موج­ها برابر با صفر باشد. در طول روز شار تشعشعی قابل ملاحظه­ای در محدوده­  0.3-2.4 μmبر سطح زمین وارد می­شود، که خنک­کاری را بسیار سخت می­کند. بنابراین یک پوشش ایده­آل برای خنک­کاری در روز علاوه بر شرایط قبلی باید ضریب بازتاب بسیار بالایی در محدوده­ تشعشع خورشید داشته باشد.

 

هدف بخش عمده­ فعالیت­های 3 دهه­ اخیر، دستیابی به یک پوشش مناسب برای خنک­کاری تحت نور مستقیم خورشید بوده است، ولی این مسئله همچنان به صورت یک چالش باقی مانده است.

 

3-1- آینه های حرارتی

 

منظور از آینه­ حرارتی پوششی است که به نور مرئی اجازه­ عبور می­دهد در حالیکه، از انتقال حرارت تشعشعی در محدوده­ مادون قرمز جلوگیری می­کند. در نتیجه با استفاده از چنین پوششی علاوه بر تأمین نور مورد نیاز برای روشنایی ساختمان، از اتلاف انرژی به صورت تشعشعی جلوگیری خواهد شد. علاوه بر این چنین پوشش­هایی در بالا بردن جذب انرژی در سلول­های خورشیدی و کلکتورهای خورشیدی کاربرد خواهند داشت. ضریب عبور در محدوده­ نور مرئی ( 0.4-0.7 μm) و ضریب بازتاب در محدوده­ مادون قرمز (طول موج­های بالاتر از 0.7 μm) برای یک آینه­ حرارتی ایده­آل، برابر با یک است[4و13].

 

4-1- تعریف مسئله

 

در پژوهش حاضر خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه با تغییر دادن جنس لایه­ها، ترتیب چینش لایه­ها، ضخامت لایه­ها و تعداد لایه­ها بهینه­سازی می­شود. بهینه سا­زی با توجه به مسائل کاربردی و در یک یا چند بازه­ طول موج انجام خواهد شد.

 

در پروژه­ حاضر ساختارهای بهینه جهت کاربرد در خنک­کاری تشعشعی و آینه­های حرارتی معرفی خواهد شد. همچنین ساختار­های لایه نازک با ضرایب جذب، بازتاب و عبور ماکزیمم در محدوده­ تشعشع خورشید معرفی خواهد شد. چنین ساختارهایی می­توانند در کلکتور­های خورشیدی، سلول­های خورشیدی و آب­گرمکن­های خورشیدی کاربرد داشته باشند.

 

5-1- اهداف پژوهش

 

اهداف این مطالعه عبارتند از:

 

1- محاسبه­ خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه­ نازک

 

2- معرفی پوشش­های لایه نازک بهینه برای کاربردهای متنوع با در نظر گرفتن محدوده­ وسیعی از مواد مختلف

 

4- معرفی پوشش­های بهینه جهت خنک­کاری تشعشعی در روز و شب

 

6-1- روش انجام پژوهش

 

در این پروژه بهینه سازی با استفاده از دو روش الگوریتم ژنتیک[1] و عملیات حرارتی شبیه­سازی شده[2] انجام خواهد شد. خواص تشعشعی ساختار­های چند لایه­ نازک با استفاده از روش­های الکترومغناطیسی محاسبه می­شود. 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

پس از نوشتن کد محاسباتی و وارد کردن ضرایب شکست و استهلاک[3] مواد مختلف مدل محاسبه­ خواص یک ساختار چند لایه نازک تهیه می­شود. سپس با تعریف یک تابع هدف بر اساس فیزیک مسئله، بهینه­سازی به کمک 2 روش یاد شده انجام می­شود.

 

در فصل دوم برخی از پژوهش­های قبلی انجام شده، مرور می­شود. در این فصل مهم­ترین پژوهش­های تجربی و تئوری انجام­شده در زمینه­ خنک­کاری تشعشعی و آینه­های حرارتی شرح داده می­شود. در فصل سوم نحوه­ محاسبه­ خواص تشعشعی برای یک ساختار چندلایه مورد بحث قرار می­گیرد. مدلسازی فیزیکی مسائل به همراه روش بهینه­سازی در فصل چهارم مورد مورد بحث قرار می­گیرد و تابع هدف برای هر مسئله معرفی می­شود. نتایج بهینه­سازی به همراه کلیه­ پوشش­های بهینه در فصل پنجم آورده شده است. در فصل ششم نتیجه­ گیری و جمع­بندی نهایی نتایج همراه با ارائه پیشنهادهایی ارائه شده است.

 

فصل دوم: مروری بر کارهای انجام شده

 

1-2- کارهای انجام شده قبلی

 

   فو (Fu) و همکاران [14] خواص تشعشعی ساختارهای چند لایه­ای را برای لایه های نازک با ضریب شکست مثبت و منفی، مقایسه کرد. وی یک ساختار متشکل از چهارلایه را در نظر گرفت. لایه­های اول و چهارم را محیط نیمه بی نهایت با مواد دی الکتریک یکسان و ضریب شکست مساوی  در نظر گرفت. لایه های میانی را یکی از خلا و دیگری را با ضریب شکست منفی در نظر گرفت. ضخامت لایه­های میانی را  8/0 سانتی متر انتخاب کرد.  نتایج وی نشان دادند که، انتخاب لایه با ضریب شکست منفی، منجر به ضریب عبور بسیار بزرگی برای ساختار چند  لایه­ای می شود.

 

   راویندرا (Ravindra) و همکاران [15]  اثر زاویه تابش پرتو ورودی به لایه سیلیکون ضخیم به ضخامت 700 میکرو متر در طول موج های 9/0 میکرومتر و  7/2  میکرومتر را بررسی کرد. وی از روش غیر همدوس برای سیلیکون ضخیم استفاده کرد.  نتایج وی نشان داد، تغییر در ضریب صدور با زاویه تابش از زاویه صفر تا º 70 خیلی ناچیز است. ولی ضریب صدور برای زاویه تابش بزرگتر از º 70، به سرعت تغییر می کند. وی این نتایج را برای دماهای ºC 30، ºC 500  و ºC 1000 بدست آورد.  همچنین او نشان داد، در دماهای بالا، ضریب صدور سیلیکون به مقدار ذاتی آن یعنی 7/0 می رسد و در محدوده طول موج 1 میکرومتر تا 20 میکرومتر، مستقل از طول موج می باشد.  همچنین نتایج او نشان دادند ضریب عبور در طول موج­های کوتاه­تر،  حوالی لبه­ جذب سیلیکون، ناچیز است و نیز ضریب عبور در دماهای بالا، قابل چشم­پوشی است.

 

   راویندرا اثر زاویه پرتو ورودی در حالت زیر لایه سیلیکون ضخیم پوشیده شده با دی اکسید سیلیکون را نیز بررسی کرد. ضخامت زیر لایه سیلیکون 700 میکرومتر و ضخامت پوشش دی اکسید سیلیکون برابر با 001/0 میکرومتر،  01/0 میکرومتر و 1/0 میکرومتر در نظر گرفته شد. وی نتایج مدلسازی خود را در دماهای ºC 30،     ºC 500  و ºC 900  ارائه داد.

 

   لی (Lee) و همکاران [16] خواص تشعشعی ساختار های چند لایه­ای شامل سیلیکون و پوشش دی اکسید سیلیکون، در محدوده طول موج 1تا 5 میکرو متر را بررسی کرد. در این کار سیلیکون آلاییده کم[1] استفاده شد و اثر پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی یک سمت و یا هر دو سمت بررسی شد. زیر لایه سیلیکون با ضخامت 7/0 میلیمتر و پوشش دی اکسید سیلیکون با ضخامت 300 نانو متر در نظر گرفته شد. وی جهت مدل سازی خواص تشعشعی به علت ضخیم بودن زیر لایه سیلیکون از روش غیر همدوس[2] استفاده کرد. وی نتایج شبیه سازی خود را برای دماهایºC  25 و ºC 500 ارائه داد. وی به کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر[3] ضریب بازتاب چند نمونه از سیلیکون پوشش داده شده با دی اکسید سیلیکون در دمای اتاق را بدست آورد و با نتایج مدل سازی به روش غیر همدوس مقایسه کرد که از تطابق خوبی برخوردار بود.

 

   لی(Lee) و همکاران [17] خواص تشعشعی لایه های نیمه شفاف را شبیه سازی کرد. وی از روش رد یابی پرتو ها[4] جهت شبیه سازی خواص تشعشعی استفاده کرد. وی نتنایج خود را در محدوده طول موج 5/0 میکرو متر تا 5/4 میکرومتر ارائه داد. نتایج وی نشان داد پوشش دی اکسید سیلیکون منجر به کاهش شدید ضریب بازتاب می شود.  نتایج لی، در محدوده ی دمای اتاق تا دمای ºC 500 و برای سیلیکون ضخیم به ضخامت 625 میکرومتر با پوشش دی اکسید سیلیکون به ضخامت 300  نانومتر بررسی شد.

 

   بونک (Bohnke) و همکاران [18] سطوح با ضریب بازتاب بالا و همچنین ضریب صدور بالا را بررسی کرد. وی از پوشش های آلومینیم و دی اکسید سیلیکون استفاده نمود. او نشان داد، پوشش آلومینیم منجر به حصول ضریب بازتاب بالا و پوشش دی اکسید سیلیکون منجر به ضریب صدور بالا می شود. نتایج وی نشان دادند اگر یک لایه­ دی اکسید سیلیکون بر روی یک لایه آلومینیم پوشش داده شود، ضریب بازتاب کمتری نسبت به حالت پوشش با یک لایه­ آلومینیم، بدست می آید. اگرچه پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی لایه­ آلومینیم منجر به کاهش ضریب بازتاب گشت، ولی این ساختار منجر به یک سطح صادر کننده، جهت تقویت تشعشع حرارتی شد.

 

   وی به روش رسوب بخار شیمیایی، عمل لایه نشانی را انجام داد و سپس به کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر، ضرایب بازتاب و عبور را بدست آورد. او نتیجه گرفت، استفاده از پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی پوشش آلومینیم ساختار مناسبی جهت حصول بازتاب مناسب، توام با صدور سطحی کافی می باشد، که می­توان از این ساختار در کاربردهای فضایی، جهت کنترل دما استفاده کرد.

 

   لی (Lee) و همکاران [19] در سال 2005 یک برنامه به زبان VBA نوشت که خواص ساختارهای متفاوت پر کاربرد در فرآیند RTP را محاسبه می­کند.

 

   علومی [3] اثر تغییر پارامترهای مختلف ازجمله زاویه­ برخورد، پلاریزاسیون، دما، جنس، ضخامت و ترتیب چینش لایه­ها را بر خواص تشعشعی ساختارهای چند لایه برای چندین چینش گوناگون محاسبه کرد. وی همچنین ساختار بهینه را برای 9 لایه شامل یک بستر سیلیکون پوشیده­شده با لایه­هایی از جنس دی­اکسید سیلیکون و  نیترید سیلیکون، با استفاده از الگوریتم ژنتیک محاسبه کرد. همچنین یک مسئله­ بهینه سازی برای 9 لایه شامل یک بستر سیلیکون پوشیده­شده با لایه­هایی از جنس دی­اکسید سیلیکون و  نیترید سیلیکون، با استفاده از الگوریتم ژنتیک توسط علومی حل شده که این بهینه سازی بر اساس تعداد لایه، جنس لایه­ها و ضخامت آنها بوده و در طول موج ثابت انجام شده­است.

 

گرانکویست (Granqvist) و همکاران [12] در سال 1982 پوشش لایه نازک SiO/Al و Si3N4/Al  بر روی شیشه را مورد بررسی تجربی قرار داد. وی با تعریف ضرایب  و  به صورت روابط 2-1 تا 2-3 بحث کرده که با ماکزیمم شدن ، توان خنک­کاری ماکزیمم خواهد شد. همچنین حداکثر افت دمای قابل دسترسی با ماکزیمم شدن  بدست خواهد آمد. در این روابط تنها انتقال حرارت تشعشعی در نظر گرفته شده و از جابه­جایی صرف­نظر شده است.

 

 1Lightly doped Silicon

 

2Incoherent Formulation

 

3Spectrophotometer

 

4Ray Tracing Method

 

1 Genetic Algorithm

 

2 Simulated annealing

 

3 Extinction Coefficient

 

2Convective Shield

 

1Atmospheric Window

 

1 Multilayer Structures

 

2 Rapid Thermal Processes

پدیده تشدید در اجزای سازه و سیستم‌های مکانیکی، عمر تجهیزات را کم می‌کند و حتی باعث شکست کامل و زودرس می‌گردد. تشدید، تحت تاثیر ویژگی‌های جرم و سختی سازه می‌باشد. آنالیز مودال، مودهای ارتعاشی و فرکانس‌های آن را به‌دست می‌آورد. این روش برای سازه‌های ساده قابل استفاده است. اما وقتی‌که سازه پیچیده می‌شود یا تحت بارگذاری‌های پیچیده قرار می‌گیرد، از روش تحلیل المان محدود برای به‌دست آوردن فرکانس‌های طبیعی و مودهای سیستم استفاده می‌گردد.

 

1-1- تاریخچه‌ای به روش‌های حل مسایل ارتعاش آزاد ورق‌ها

 

شروع مطالعه رفتار ارتعاشی ورق‌ها به انتهای دهه 1800 باز می‌گردد، زمانی که ریلی روش معروف خود را برای بررسی ارتعاش آزاد سازه‌ها ارایه داد. [3] پس از آن ریتز در سال 1909 روش ریلی را با در نظر‌گرفتن مجموعه‌ای از تابع‌های شکل آزمون بهبود بخشید، که هر‌کدام ضرایب دامنه مستقلی دارند. به این ترتیب روش ریلی-ریتز به یکی از روش‌های تقریبی پرکاربرد در زمینه بررسی رفتار ارتعاش سازه‌ها تبدیل شد. پس از آن، تحقیقات گسترده‌ای در زمینه ارتعاش ورق‌هایی با شکل‌های مختلف، شرایط مرزی و بارگذاری متفاوت صورت گرفت. بخش عمده‌ای از این مطالعه‌ها به ورق‌های نازک محدود می‌شود که در آن از اثر تغییر شکل‌های برشی صرف‌ نظر شده است. [8]

 

بر خلاف ورق‌های نازک، اثر تغییر شکل‌های برشی در ورق‌های ضخیم قابل ملاحظه است. صرف نظر‌کردن از اثر‌های برشی در این نوع ورق‌ها ، منجر به افزایش قابل ملاحظه مقدار فرکانس‌های ارتعاشی در جهت عدم اطمینان می‌شود. از این رو تئوری‌های تغییر شکل برشی مرتبه اول[1] مانند تئوری ریزنر–‌‌میندلین و دیگر تئوری‌های تغییر شکل برشی مرتبه‌های بالاتر[2] توسط محققین مختلف برای بررسی رفتار ارتعاش ورق‌ها مورد استفاده قرار گرفته است.

 

میندلین و همکارانش، ارتعاش ورق‌های مستطیلی ضخیم با شرایط مرزی چهار طرف مفصل و شرایط لوی را بررسی نمودند و حل تحلیلی آن‌ها را ارایه دادند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند، که در ورق های چهار طرف مفصل سه دسته مود مستقل قابل حصول است. هم‌چنین در‌هم‌کنش سایر مودها برای ورقی با یک جفت مرز آزاد و جفت دیگر مفصلی مورد مطالعه قرار گرفت. 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

نور [9] در سال 1973 به بررسی ارتعاش آزاد ورق‌های مرکب لایه‌لایه‌ پرداخت. وی نتیجه‌های حاصل از تئوری کلاسیک ورق لایه‌لایه[3]، تئوری میندلین و تئوری الاستیسیته سه‌بعدی را با یکدیگر مقایسه نمود وبه این نتیجه رسید، که تئوری کلاسیک ورق برای تخمین رفتار ارتعاش ورق‌هایی با درجه عمودسانگردی بالا و نسبت ضخامت به طول بیشتر از 1/0 مناسب نیست. این در‌حالی‌است که نتایج تئوری میندلین، برای برآورد فرکانس‌های ارتعاش پایین در ورق‌های نسبتا ضخیم لایه‌لایه‌ای با نسبت ضخامت به طول کمتر از2/0 رضایت‌بخش است.

 

میدان جابجایی و تنش‌های عرضی، به‌دلیل حفظ شرایط همسازی و تعادل از شرایط پیوستگی نوع  در راستای ضخامت ورق برخوردارند. بر این اساس، تئوری‌های مختلفی برای مسایل ورق و پوسته‌ها توسط محققین ارایه شده است. از میان انبوه تئوری‌های موجود، آن دسته از تئوری‌هایی که متغیرهای مجهول آن‌ها از جنس جابجایی هستند، براساس چگونگی تعریف مولفه‌های میدان جابجایی و مدل‌سازی پیوستگی بین لایه‌ها در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند.

 

الف) تئوری های لایه لایه ای

 

در این دسته از تئوری‌ها، میدان جابجایی درهر لایه به صورت مستقل تعریف می‌شود. بنابراین در لایه ام خواهیم داشت:

 

در صورت اهمیت جزئیات رفتار هر یک از لایه‌ها به‌صورت جداگانه و یا احتمال بروز تغییرات شدید گرادیان مولفه‌های میدان جابجایی در بین لایه‌ها، لزوم استفاده از تئوری‌های لایه‌لایه‌ای قابل توجیه است. اگرچه کاربرد آن‌ها منجر به افزایش تعداد مجهول‌های مساله و پیچیدگی بیشتر آن می‌گردد. تئوری‌های لایه‌لایه‌ای برخلاف تئوری‌های تک‌لایه معادل، امکان ارضای پیوستگی تنش‌های عرضی در مرز بین لایه‌ها را فراهم می‌سازد. این تئوری‌ها به دو دسته عمده تقسیم می شوند:

 

1) تئوری‌های لایه‌لایه‌ای جزیی[1]

 

دراین تئوری‌ها توزیع لایه‌ای تنها برای مولفه‌های درون-صفحه‌ای میدان جابجایی در نظر گرفته می‌شود.

 

2) تئوری‌های لایه‌لایه‌ای کامل[2]

 

که در آن هر سه مولفه جابجایی در هر لایه به صورت جداگانه تعریف می‌شوند.

 

[1] Partial layer wise theories

 

[2] Full layer wise theories

 

[1] First-order shear deformation theory

 

[2] Higher-order shear deformation theory