پایان نامه : خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از استوانه‌هایی با پوشش فراماده در یک شبکه مربعی

 

 

فیزیک – اپتیک و لیزر

 

 

 

 

 

خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از استوانه‌هایی با پوشش فراماده در یک شبکه مربعی

 

 

 

 

 

 

 

استاد راهنما

 

دکترمحمود حسینی فرزاد

 

 

 

 

 

اسفندماه ۱۳۹۳

 

 

 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

 

 

 

 

 

چکیده

 

 

 

خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از استوانه هایی با پوشش

 

 فراماده در یک شبکه مربعی

 

 

 

 

 

 

 

در این رساله به بررسی خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از آرایه‎های مربعی که از استوانه‌های طویل دی الکتریک با پوشش فراماده ساخته شده اند، پرداخته می‌شود. نکته حائز اهمیت این است که سلول واحد این بلور فوتونی برای پارامترهای خاص هندسی و اپتیکی انتخاب شده در محدوده مشخصی از فرکانس‌ها، خاصیت نامرئی شدن دارد. طیف عبور بلور فوتونی متشکل از این یاخته ها (سلول واحد)، با بهره گرفتن از روش بسط موج تخت، توسط نرم افزاد متمتیکا برای تعداد لایه های مختلف رسم شده است. در تعداد مشخصی از لایه ها، یکی از گاف‎های فوتونی (نسبت به بلور فوتونی بدون پوشش)، که قبلاً در تعداد کمتری از لایه های بلور ظاهر شده بود، از بین میرود. این پدیده، احتمال نامرئی شدن این نوع بلور فوتونی با پوشش فراماده را تقویت می‎کند. این خاصیت فقط در این نوع از بلور ها مشاهده می‎شود و در بلور فوتونی دیگری تا بحال گزارش نشده است. در این پدیده که منجر به حذف یکی از گاف های بلور فوتونی می‎شود، با تغییر دوره تناوب شبکه مربعی، شماره‎ی گاف حذف شده و محدوده فرکانسی آن جابجا می‎شود.

 

 

 

 

کلمات کلیدی: کاهش سطح مقطع پراکندگی از استوانه های طویل- بلور فوتونی- فراماده

 

فهرست مطالب

 

 

 

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

 

 

۱-۱ فراماده چیست. ۲

 

۱-۲ تاریخچه فرامواد. ۲

 

۱-۳ کاربردهای فراماده. ۴

 

۱-۴ مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه فراماده. ۴

 

۱-۵ تاریخچه بلورهای فوتونی ۶

 

۱-۶ مفهوم بلورهای فوتونی ۶

 

۱-۷ زمینه های کاربردبلورهای فوتونی ۹

 

۱-۷-۱ موج برها ۹

 

۱-۷-۲ میکرو کاواک ها ۱۰

 

۱-۷-۳ فیلترها ۱۰

 

۱-۷-۴ فیبرهای  بلور فوتونی ۱۰

 

 

 

۲-۱ فرامواد و کاهش سطح مقطع پراکندگی ۱۴

 

۲-۲ اصول نظری برای محاسبه ضریب پراکندگی استوانه بینهایت دی الکتریک. ۱۵

 

۲-۲-۱ روابط مربوط به میدان‎های الکتریکی ۱۷

 

۲-۲-۲ روابط مربوط به میدان های مغناطیسی ۱۹

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

 

 

۲-۲-۳ شرایط مرزی میدان های الکتریکی و مغناطیسی ۲۰

 

۲-۲-۴ ماتریس پراکندگی ۲۱

 

۲-۳ استوانه رسانا ( PEC ) 23

 

۲-۴ شرایط ایجاد شفافیت برای استوانه دی الکتریک و استوانه رسانا ۲۴

 

۲-۴-۱ دسته بندی شرایط شفافیت برای قطبش های مختلف استوانه  بینهایت
(دی الکتریک و رسانا) ۲۴

 

۲-۴-۲ اثبات رابطه ( ) برای شفافیت برای استوانه دی‎الکتریک بینهایت. ۲۵

 

۲-۵ نتایج تجربی کاهش پراکندگی از استوانه بینهایت دی الکتریک پوشیده شده
با لایه ای از فراماده. ۲۸

 

۲-۵-۱ تحلیل حالت ایستا ۳۱

 

۲-۶ کاهش پراکندگی از سطح اجسام کروی پوشیده شده با لایه ای از فراماده. ۳۴

 

۲-۶-۱ پنهان سازی کره با پوشش فراماده. ۳۴

 

۲-۶-۲ اصول نظری کاهش پراکندگی از سطح اجسام کروی ۳۴

 

۲-۶-۳ نمودارهای تجربی مربوط به کاهش پراکندگی از سطح کره با پوشش فراماده. ۳۶

 

۲-۷ سیستم چند ذره ای و کاهش شدید سطح مقطع پراکندگی کروی ۳۹

 

 

 

۳-۱ خواص بلورهای فوتونی ۴۳

 

۳-۱-۱ شبکه بلور فوتونی: ۴۳

 

۳-۱-۲ طریقه رسم منطقه اول بریلوئن  یک شبکه: ۴۵

 

۳-۲ تئوری بلاخ ۴۷

 

۳-۲-۱ اثبات تئوری بلاخ ۴۸

 

۳-۳ امواج بلاخ و ناحیه بریلوئن ۴۹

 

۳-۴ مد های ویژه بلور های فوتونی ۵۰

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

 

 

۳-۴-۱ بردار های موج مساّله ویژه مقداری ۵۱

 

۳-۴-۲ بردارهای موج مساله ویژه مقداری در دو بعد. ۵۴

 

۳-۵  منشاُ گاف نواری فوتونی: ۵۵

 

۳-۶ روش های عددی در تحلیل بلورهای فوتونی ۵۷

 

۳-۷ روش بسط امواج تخت. ۵۹

 

۳-۸ محاسبات نظری مربوط به بسط امواج تخت. ۵۹

 

۳-۸-۱ قطبش ۵۹

 

۳-۹ معادلات انتشار در بلور فوتونی به روش بسط موج تخت. ۶۰

 

۳-۱۰ روش تئوری محاسبه طیف عبوری از بلور فوتونی به روش بسط موج تخت. ۶۲

 

۳-۱۰-۱ اثبات رابطه (۳-۵۷) ۶۴

 

۳-۱۰-۲ اثبات روابط (۳-۵۸) و (۳-۵۹) ۶۷

 

۳-۱۱ تبدیل فوریه برای تابع دی‎الکتریک در یک شبکه مربعی ۶۷

 

 

 

۴-۱ مقایسه طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده برای تعداد لایه‌های مختلف. ۷۳

 

۴-۲ مقایسه طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده برای تعداد لایه‌‌های مختلف. ۸۳

 

۴-۳ مقایسه طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده برای دو بلور فوتونی متفاوت ۸۷

 

۴-۴ نتیجه گیری ۸۹

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

 

 

۵-۱- نتیجه گیری ۹۱

 

۵-۲- پیشنهادات ۹۳

 

 

 

 

 

چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی

 

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

 

 

 

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

شکل(۱-۱): نمونه‎هایی از ساختارهای بلور فوتونی ۸

 

شکل(۲-۱). بردارهای قطبش برای استوانه دی الکتریک و پوشش فراماده. ۱۵

 

شکل (۲-۲). استوانه نامحدود دیالکتریک، پوشیده شده با لایه ای از فراماده ۱۶

 

شکل(۲-۳). جدول کاهش سطح مقطع پراکندگی ۲۹

 

شکل(۲-۴). نمودار تابع  برحسب . ۳۰

 

شکل(۲-۵). نمودار تابع  برحسب . ۳۰

 

شکل (۲-۶). بازده پراکندگی برای حالت بدون پوشش و حالت با پوشش ۳۱

 

شکل (۲-۷). بازده پراکندگی کل، برای استوانه بینهایت دی الکتریک سه زاویه مختلف تابشی. ۳۲

 

شکل(۲-۸) ذره کروی پوشیده شده با لایه ای از فراماده. ۳۵

 

شکل (۲-۹).  کاهش سطح مقطع پراکندگی برای کره. ۳۶

 

شکل (۲-۱۰) پراکندگی میدان الکتریکی در صفحه xz. 37

 

شکل(۲-۱۱). بیشترین مقدار   در الگوی سطح مقطع پراکندگی، برای یک سیستم شامل دوذره کروی   ۳۹

 

شکل (۳-۱). شبکه های بلور و وارون در حالت یک بعدی. ۴۴

 

شکل (۳-۲). در این شکل شبکه وارون مربعی ۴۵

 

شکل(۳-۳). ناحیه بریلوئن اول و اولین منطقه تقسیم ناپذیر بریلوئن در یک شبکه مربعی ۴۶

 

شکل(۳-۴).  ناحیه بریلوئن اول و اولین منطقه تقسیم ناپذیر بریلوئن در یک شبکه ملثی ۴۶

 

شکل (۳-۵): ساختار باند فوتونی برای سه فیلم چند لایه. ۵۷

 

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

 

 

شکل (۳-۶) سطح مقطع بلور فوتونی دو بعدی متشکل از استوانه های طویل دی‌الکتریک ۶۰

 

 

 

 

 

فهرست نمودارها

 

 

 

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

نمودار(۴-۱). طیف عبور بلور فوتونی تک لایه. ۷۴

 

نمودار(۴-۲). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی سه لایه. ۷۵

 

نمودار(۴-۳). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی پنج لایه. ۷۶

 

نمودار(۴-۴). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی هفت لایه. ۷۷

 

نمودار(۴-۵). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی ده لایه. ۷۸

 

نمودار(۴-۶). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی پانزده لایه ۷۹

 

نمودار(۴-۷). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. ۸۰

 

نمودار(۴-۸). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست پنج لایه. ۸۱

 

نمودار(۴-۹). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی سی لایه ۸۲

 

نمودار(۴-۱۰). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. ۸۴

 

نمودار(۴-۱۱). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست پنج لایه. ۸۵

 

نمودار(۴-۱۲). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی سی لایه. ۸۶

 

نمودار(۴-۱۳). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه ۸۷

 

نمودار(۴-۱۴). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. ۸۸

 

نمودار(۴-۱۵). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. ۸۸

 

مقدمه

 

 

 

 

 

۱-۱ فراماده [۱] چیست

 

 

 

واژه متامتریال در سال ۱۹۹۹ توسط رودگروالسر [۲] از دانشگاه Texas نامگذاری شد]۱[. واژه متا یک واژه یونانی به معنی فرا است. بنابراین می‎توان متامتریال را فرا ماده ترجمه کرد. نامی است با معنی برای موادی که ویژگی های آنها فراتر از محدودیت های مواد طبیعی است.

 

فرامواد متشکل از اجزایی (سلول واحد ) در ابعاد خیلی کوچکتر از طول موج تابشی هستند، که هرچند در ابعاد کوچکتر از طول موج ناهمگنند، ولی مانند مواد طبیعی به طور متوسط و مؤثر می‎توان ویژگی های یک محیط همگن را به آنها نسبت داد.

 

 

 

 

 

۱-۲ تاریخچه فرامواد

 

 

 

تاریخچه فرامواد در سال ۱۹۶۷ با مقاله ای تحت عنوان مواد الکترمغناطیس با µ و  منفی توسط ویکتور وسلاگو[۳] ]۲ [فیزیکدان روسی آغاز شد. وی در مقاله اش با فرض وجود داشتن مواد همگن با µ و  منفی به بررسی انتشار موج در آنها پرداخت و نشان داد که امواج الکترومغناطیسی می‎توانند در این محیط منتشر شود و رابطه بردار میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و ثابت فاز، بر خلاف مواد معمولی که از قانون دست راست تبعیت می‎کنند با قانون دست چپ به هم مربوط می‎شوند.

 

پدیده های اساسی بسیاری در برخورد با فراموادها توسط وسلاگو پیش‎بینی شده اند. وسلاگو در مقاله خود پیش‎بینی کرد که اگر بتوان مواد ایزوتروپی را یافت که خواص پلاسما و مغناطیس را به طور همزمان داشته باشند، ممکن است بتوان خواص چپگردی را به کمک مواد طبیعی ایجاد کرد. هرچند که متاًسفانه در طبیعت ماده همگن با µ و  منفی موجود نمی باشد.

 

پس از مقاله وسلاگو به مدت ۳۰ سال هیچ کاری در این زمینه صورت نگرفت تا اینکه اولین ماده چپگرد به طور مصنوعی و در آزمایشگاه توسط اسمیت [۴] و همکارانش در دانشگاه کالیفرنیا (UCSD) بر اساس کارهای اولیه پندری[۵] در لندن ساخته شد]۳[.

 

رشد سریع و وسیع تحقیقات در زمینه فرامواد از سال ۱۹۹۹ آغاز شد. پندری در سال ۱۹۹۹ ساختارهای پلاسمونیکی (µ و  منفی ، µ و  مثبت ) را معرفی کرد که در فرکانس میکروموج خاصیت [۶] SNG از خود نشان می‎دهند]۴و۵[. اندکی پس از آن در سال ۲۰۰۰ برای اولین بار توسط اسمیت ]۶[ساختاری معرفی و ساخته شد که در ناحیه میکروموج ضریب شکست منفی از خود نشان می‎دهد. در]۶[ اسمیت ساختار[۷]  SRR پندری را در یک ساختار مرکب با هم ترکیب کرد و اولین نوع فرامواد چپگرد آزمایشگاهی را ارائه کرد. تراوایی مغناطیسی و گذردهی الکتریکی این ساختار که ترکیبی از حلقه‎های فلزی شکافدار (معرفی شده توسط اسمیت) و نوارهای فلزی بود، در یک بازه فرکانسی خاص به طور همزمان منفی شده و در نتیجه منجر به منفی شدن ضریب شکست محیط در آن ناحیه فرکانسی خاص می‎شود. پس از اولین کار آزمایشگاهی اسمیت در مورد ساختارهای چپگرد، مقدار زیادی گزارش تئوری و آزمایشگاهی، وجود و خواص اصلی مواد چپگرد پیش‎بینی شده توسط وسلاگو را تائید کردند]۷-۹[.

 

 

 

 

 

 

 

۱-۳ کاربردهای فراماده

 

 

 

در سال ۱۹۹۸ تحقق عملی فراماده در محدوده فرکانسی میکروموج مورد بررسی قرار گرفت. از جمله کاربردهای فراماده می‎توان به صفحه های جاذب ]۱۰[و پوشش‎های ضد انعکاس برای کاهش پراکندگی ]۱۱[یا انعکاس از سطح اجسام نام برد. این کاربردها همراه با جذب و درنتیجه اتلاف زیادی هستند و برای شفافیت اجسام دوبعدی مسطح مناسبند. ایجاد شفافیت یا پراکندگی کم بوسیله پوشش های مناسب، کاربردهای زیادی در زمینه اپتیک، پزشکی، زیست شناسی و نانو تکنولوژی دارد]۱۲[.

 

 

 

 

 

۱-۴ مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه فراماده

 

 

 

در سالهای اخیر، کاربردهای فراماده در پنهان کردن[۸] و نامرئی سازی[۹] اجسام،  در مقالات زیادی بررسی شده است]۱۴-۲۲[در مقالات ]۲۲-۲۴[ خواص عجیب دسته بندی های مختلف فراماده (DPS, ENG, MNG,DNG)، به منظور کاهش شدید پراکندگی از اجسام با طول محدود، برای طیف گسترده ای از فرکانس ها، و در اشکال مختلف نشان داده شده است. DPS[10] موادی که  دارند، مانند اکثر مواد موجود در طبیعت، و DNG[11] یا فراماده، موادی که دارای  هستند و MNG[12] موادی که محیط آنها  است، مانند فریت ها و ENG [13] موادی که  دارند، مانند پلاسماها، می‎توان تعریف کرد.

 

 

 

در مقاله ]۲۵[ پراکندگی از لایه های نازک پلاسمونی، نشان داده شده است. در این مقاله، تئوری حذف پراکندگی[۱۴]  برای مواد پلاسمونیک مصنوعی، با  منفی یا کم مثبت، از طریق قطبش محلی منفی خود، ارائه می‎شود. این تکنیک که پوشش پلاسمونیک[۱۵]  نامیده می‎شود، با کارهای اخیری ]۲۶[ که پیش‎بینی کرده اند چگونه یک ذره مرکب با ترکیب گذردهی مثبت یا منفی، ممکن است باعث کاهش شدید پراکندگی در حد ایستا [۱۶] شود، تطابق دارد.

 

مرجع ]۲۷[ یک تحقیق جدید برای حالت پویا [۱۷] است. در این مقاله نشان داده شده است که پوشش پلاسمونی، علاوه بر کاهش پراکندگی ناشی از دو قطبی غالب، برای اجسام با اندازه متوسط، می‎تواند موجب کاهش پراکندگی مرتبه های بالاتر چند قطبی، برای اجسام بزرگتر شود.

 

البته در کاربردهای عملی، مخصوصاً برای رادارها، اجسام طویل از توجه بیشتری برای این برنامه ها برخوردارند. آلو[۱۸]  وانقطاع [۱۹] در ]۲۵[فرمول شبهه ایستا، برای استوانه دی‎الکتریک بی نهایت، تحت تابش عمود را بیان کرده اند. در مرجع ]۲۸[ این فرمول برای استوانه رسانا با طول محدود، تحت تابش نور عمودی بسط داده شده است. در مرجع ]۲۹[ از این نتایج برای تابش نور ملایم استفاده شده است. به علاوه در مرجع ]۳۰[نتایج حاصل از عملیات چند فرکانسی از پوشش کروی در مرجع ]۳۱[، برای استوانه بی‎نهایت دی الکتریک، استفاده شده است. در مراجع ]۳۲و۳۳[ تحقیقات تئوری و تجربی جالبی در زمینه پوشش پلاسمونی در استوانه دو بعدی، پوشیده شده از فراماده برای قطبش خاص، ارائه داداند.

 

 

 

۱-۵ تاریخچه بلورهای فوتونی

 

 

 

بلورهای فوتونی از سال ۱۸۸۷ مورد مطالعه قرار گرفته اند، ولی عبارت بلورهای فوتونی برای اولین بار ۱۰۰ سال بعد، زمانی که الی یابلانوویچ [۲۱] مقاله مشهور خودرا درباره بلورهای فوتونی در سال ۱۹۸۷ منتشر کرد، مورد استفاده قرار گرفت. قبل از سال ۱۹۸۷ بلورهای فوتونی یک بعدی، به صورت چند لایه متناوب از دی الکتریک، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته بود. هرچند به نام بلورهای فوتونی اطلاق نمی‎شدند. در سال ۱۹۸۷، ای-یابلونویچ[۲۲] ]۳۴[پیشنهاد کرد که از یک محیط متناوب سه بعدی، که او بلورفوتونی نامید، استفاده شود تا از نشر خودبخودی جلوگیری شود. در همان سالها اس جان[۲۳] ]۳۵[پیشنهاد کرد که از یک محیط متناوب نامنظم سه بعدی برای متمرکز ساختن امواج الکترومغناطیسی استفاده شود. پیشنهادات فوق به طور مؤثری، زمینه تحقیقاتی را به وجود می آورد که در آنها علاوه بر درک اساسی برهمکنش‎های غیر منتظره میان نور و ماده، زمینه ساخت وسایل و ابزارهای جدید الکترونوری[۲۴] ، و استفاده های فوتونی مختلفی را فراهم می‎کند]۳۶-۴۰[.

 

 

 

 

 

۱-۶ مفهوم بلورهای فوتونی

 

 

 

بلورهای فوتونی ([۲۵]pcها ) ساختارهایی هستند که امواج نورانی (الکترومغناطیسی) در بازه های فرکانسی خاصی، توانایی عبور از آنها را ندارند. بلورهای فوتونی همان تولیدات مصنوعی هستند که رفتارشان با فوتون‎ها همانند رفتاری است که نیمه رساناها با الکترون‎ها دارند.

 

این رفتارها در این ساختارها، همانند رفتاری است که ساختارهای فلزی و بلوری، در برابر عبور الکترون‎ها از خود نشان می دهند. همانطور که پذیرفته شده است، الکترون‎ها رفتار موجی دارند و هنگامی که وارد یک ساختار بلوری (منظم متناوب) از اتم‎ها می شوند، در ترازهای خاصی از انرژی، نمی توانند از ساختار عبور نمایند، که این به علت ساختار تناوبی بلورها و بازتابش الکترون‎ها است. تمام رفتارهای جالبی که نیمه هادی ها از خود نشان می‎دهند به دلیل وجود همین تراز های مجاز و غیر مجاز است. حال اگر بتوان محیطی ایجاد کرد که برای فوتون های دارای انرژی خاص، اجازه عبور از ساختار وجود نداشته باشد، می‎توان انتظار داشت همان کنترلی که پیش از این بر رفتار الکترون‎ها وجود داشت، اکنون بر رفتار فوتون‎ها حاکم نمود. بلورهای فوتونی از آن جهت بلور نامیده شده اند که در آنها ترازهای انرژی ممنوع برای فوتون‎ها وجود دارد ( در مقایسه با الکترون‎ها ). در بلورهای فوتونی واحدهای تشکیل دهنده‎ی ساختار به جای اتم‎ها، محیط‎های همگن دی الکتریک است و این محیط ها، به صورت متناوب وجود خواهند داشت. به بیان ساده تر، یک آرایش متناوب از محیط های دی الکتریک هستند. از نظر ابعاد ساختارهای متناوبی بلورهای فوتونی، باتوجه به حالت تناوبی که ساختار آنها به خود می‎گیرد، در یک، دو و سه بعد طبقه بندی می شوند، که جریان نور به ترتیب می‎تواند در یک، دو و سه بعد مدوله شود. یک نمونه از بلورهای فوتونی یک بعدی در شکل (۱-۱)نشان داده شده است.

 

یک بلور فوتونی دوبعدی، یک محیط دی الکتریک با الگوی دو بعدی است که معمولاً آرایه منظمی از میله‎های دی‎الکتریک یا حفره هوا در یک تکه دی‎الکتریک است (شکل (۱-۱)). با بهره گرفتن از بلورهای فوتونی دو بعدی، می توان یک تراشه دی الکتریک ساخت، که در مدارهای اپتیکی برای مهندسین خیلی جالب است. یک بلور فوتونی سه بعدی، می‎تواند نور را در تمامی جهت ها کنترل کند، که بخاطر مشکلات تولید در سالهای اخیر فقط در آزمایشگاه‎ها به دست آمده اند. سنگ جواهر طبیعی، شامل اکسید سیلیسیم به اندازه زیر میکرون، یک نمونه از بلورهای فوتونی سه بعدی با یک شبه باند گاف است، در شکل (۱-۱) نمونه ای از این بلور سه بعدی نشان داده شده است. کاملاً واضح است که خواص و کاربردهای بلور فوتونی شدیداً به هندسه و تناوبشان بستگی دارد ]۴۱,۴۲  ,۴۳[.

 

شکل(۱-۱): نمونه‎هایی از ساختارهای بلور فوتونی ]۴۳[

 

 

 

آنها می‎توانند صرف نظر از قطبش و جهت انتشارشان، به وسیله گاف نواری[۲۶] شرایطی  را فراهم کنند که فوتون‎هایی با انرژی معین قادر به انتشار درون بلور نباشند.

 

به این محدوده پیوسته و کراندار در حوزه‎ی بسامد که در آنها امکان انتشار موج در ساختار وجود ندارند، گاف فوتونی یا نوار ممنوع بسامدگفته می‎شود. تئوری اصلی حاکم بر بلورهای فوتونی معادلات ماکسول می‎باشند. با حل معادلات ماکسول در محیط و همچنین اعمال شرایط مرزی، امواج الکترومغناطیسی را در محیط توصیف می‎کنیم.

 

بلورهای فوتونی با توجه به سه عامل مشخص می‎شوند. این عوامل عبارتند از: مکان‎شناسی یا شکل شبکه، دوره تناوب فضایی و ثابت دی الکتریک مواد تشکیل دهنده. انتخاب مناسب این پارامترها می‎تواند ،یک شکاف در روابط پراکندگی الکترومغناطیسی ایجاد کند، که در آن انتشار خطی امواج الکترومغناطیسی ممنوع است. این ناحیه غیر مجاز فرکانسی را یک گاف نواری[۲۷] نامیده می‎شود. اگر این شکاف غیر مجاز برای تمام قطبش‎ها و تمام جهت های انتشار وجود داشته باشد، به آن شکاف فوتونی کامل می‎گویند. شرط لازم و نه کافی، برای رسیدن به یک باند گاف فوتونی کامل، تناوبی بودن در سه جهت ویک اختلاف بزرگ در ثابت دی الکتریک اجزای تشکیل دهنده آن است.

 

 

 

 

 

 

 

۱-۷ زمینه های کاربردبلورهای فوتونی

 

 

 

پس از اثبات اصل وجود ساختارهای دارای PBG در یک، دو و سه بعد و معرفی ساختارهای مختلفی که این وضعیت را ایجاد می‎کنند، مسیری هموار برای طراحی و ساخت قطعات جدید فراهم شد. البته پیش از اینکه بلورهای فوتونی به عنوان زمینه ای مستقل مطرح شوند، ساختار یک بعدی متناوب به طور کامل بررسی شده بود و کاربردهای مفیدی پیدا کرده بود. نام این ساختارها آینه های دی الکتریک یا بازتابنده های براگ بود که به عنوان آینه تمام بازتاب در منابع لیزر استفاده می‎شدند. ( براگ تفرق امواج ایکس را در ساختارهای بلوری برای شناسایی آنها بررسی کرده و به دلیل همین تحقیقات جایزه نوبل دریافت کرد).

 

در ادامه به برخی از کاربردهای بلور فوتونی دوبعدی می‎پردازیم.

 

 

 

۱-۷-۱ موج برها

 

یکی از نخستین کاربردهای بلور فوتونی، ساخت موجبرهای نوری دارای خم‎هایی[۲۹]  در مقیاس بسیار کوچک است که پیش از این یک مشکل عمده فیبرهای نوری محسوب می‎شد. اگر بخواهیم مساله را کمی مقایسه ای بررسی کنیم وضعیت پیاده سازی موجبر اپتیکی با بلورهای فوتونی مانند وارد کردن ناخالصی به شبکه بلوری نیمه هادی ها  و ایجاد تراز های مجاز انرژی در میان فراز ممنوع است ( یعنی ایجاد یک نقص[۳۰]  برای ایجاد تراز مجاز) به همین دلیل ایجاد یک بینظمی خطی در ساختار بلورهای فوتونی یک نقص نامیده می‎شود. به علت اینکه بلورهای فوتونی سه بعدی، انتشار نور را در هر سه جهت کنترل می‎کنند نسبت به سایر بلورهای فوتونی مزیت دارند اما ساخت این بلورها مشکل است، رویکرد مناسب تر استفاده از موجبرهای بلور فوتونی دوبعدی است ]۴۴[.

 

 

 

 

 

۱-۷-۲ میکرو کاواک ها  

 

اگر یکی از اجزای بلور فوتونی در وسط بلور را برداریم، یک میکرو کاواک درست می‎شود و در بلور نقص ایجاد کرده ایم. هرگونه نقصی که توسط یک بلور فوتونی دارای باند گاف احاطه شود، یک حفره (کاواک ) را تشکیل می‎دهد. ریز کاواک ها علاوه بر ایجاد عکس العمل طیفی شدید، شرایط تشکیل یک میدان بزرگ تشدیدی را نیز در درون خود فراهم می‎کنند. همچنین از آنها می‎توان برای فیلترهایی با پهنای باند باریک و فیلترهایی با طول موج انتخابی استفاده کرد]۴۵[.

 

 

 

 

۱-۷-۳ فیلترها  

 

کاربرد مهم دیگری که بلورهای فوتونی در طراحی قطعات دارند استفاده از آنها به عنوان فیلترهای مختلف است. همانطور که دیدیم، ایجاد یک نقص در ساختار های بلور فوتونی باعث  ایجاد یک حفره و مدهای مجاز انرژی درون آن نقص می‎گردد. این حفره ها دقیقا مانند حفره‎های موجود در مایکروویو می‎توانند انرژی را ذخیره کنند و اگر با خط انتقال کوبل شوند می‎توان از آنها به عنوان فیلتر نیز استفاده نمود]۴۶[.

 

 

 

۱-۷-۴ فیبرهای  بلور فوتونی

 

کاربرد وسیع دیگر ساختارهای دارای PBG استفاده از آنها در فیبرهای نوری جدید است]۴۷[.  در فیبرهای نوری فعلی مکانیزم انتقال نور بر پایه انعکاس کلی نور بر پایه اختلاف ضریب شکست محیط های داخلی (مغزی[۳۴]) و خارجی (غلاف[۳۵]) فیبر است. در حالی که فیبرهای نوری مبتنی بر بلورهای فوتونی محیط اطراف هسته با یک ساختار دی الکتریک متناوب یک یا دو بعدی پوشانده می‎شود و به دلیل به وجود آمدن PBG در جهت عمود بر جهت هسته، نور درون هسته فیبر محصور می‎گردد که پدیده ای بسیار مطلوب است. با بهره گرفتن از تکنولوژی فعلی، ساخت چنین فیبرهای نوری امکان پذیر است.

 

آنچه در این رساله خواهد آمد

 

همانگونه که بیان شد، فرامواد مواد مصنوعی هستند که دارای گذردهی الکتریکی و تراوایی مغناطیسی منفی هستند و بوسیله چندین روش مورد بررسی قرار گرفته اند. یکی از این روش ها تکنیک حذف پراکندگی یا پوشش پلاسمونی است. تحقیقاتی نیز بر روی کنار هم قرار گرفتن چند نانو ذره با پوشش های فراماده و کاهش پراکندگی کل سیستم انجام گرفته است. اگر چند ذره با پوشش پلاسمونی کنار هم قرار دهیم، اثر نامرئی سازی مانند تک ذره دیده می‎شود.

 

از ایده نامرئی سازی شدن سیستم چند ذره ای، برای ساخت بلور فوتونی دوبعدی، متشکل از استوانه های نامحدود دی‎الکتریک با پوشش فراماده، در یک شبکه مربعی، استفاده کرده‎ایم و نمودار انتشار را برای این بلور فوتونی، از طریق نرم افزار متمتیکا رسم  و احتمال نامرئی شدن این ساختار را بررسی کرده ایم.

 

 

 

این پایان‎نامه به بخش‎های زیر تقسیم شده است

 

در فصل اول مقدمه کوتاهی بر تاریخچه فراماده، کاربردهای فراماده و مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه فراماده آورده شده است و نیز مطالبی راجب تاریخچه و تعریف بلورهای فوتونی و زمینه های کاربرد آن‎ها بیان شده است.

 

در فصل دوم به تئوری ریاضی چگونگی کاهش سطح مقطع پراکندگی، هنگام استفاده از پوشش فراماده بر روی سطح جسم، پرداخته ایم. در این فصل، روش به دست آوردن ماتریس پراکندگی و ضریب پراکندگی و چگونگی ایجاد شرایط شفافیت، برای استوانه دی الکتریک بی نهایت، پوشیده شده با لایه ای از فراماده، بیان شده است. در ادامه به اختصار، مطالبی راجب کاهش سطح مقطع پراکندگی، در اجسام کروی و استوانه PEC آورده ایم.

 

فصل سوم این پایان نامه به دو بخش تقسیم می گردد. بخش اول به خواص بلورهای فوتونی، منطقه اول بریلوئن، در شبکه بلورهای فوتونی یک بعدی و دوبعدی مربعی پرداخته ایم. در ادامه تئوری بلاخ و اثبات آن، امواج بلاخ و ناحیه بریلوئن، مدهای ویژه بلور فوتونی و بردارهای موج مساله ویژه مقداری در دو و سه بعد، منشا باند گاف و ساختار باند در بلور های فوتونی یک بعدی و دو بعدی مربعی، بیان شده است. در بخش دوم این فصل به بیان روش بسط موج تخت و تئوری ریاضی مربوط به این قسمت، برای مطالعه بر روی ساختارهای دارای باندگاف فوتونی[۳۷] و محاسبات عددی طیف عبوری بلورهای فوتونی، به تقصیل بیان گردیده است.

 

در چهارم فصل به بررسی خواص بلور فوتونی دوبعدی، متشکل از آرایه مربعی، از استوانه‌های طویل با پوشش تک لایه(فراماده و دی الکتریک) پرداخته می‌شود. نکته حائز اهمیت این است که سلول واحد این بلور فوتونی برای پارامترهای خاص هندسی و اپتیکی انتخاب شده، در محدوده مشخصی از فرکانس‌ها، خاصیت نامرئی شدن نسبی دارد که این تفاوت در مقایسه با طیف عبور این بلور فوتونی دو بعدی با بلور فوتونی رایج، متشکل از استوانه‌های دی الکتریک بدون پوشش، مشهود است. برای بررسی طیف عبوری با بهره گرفتن از نرم افزار متمتیکا نمودار عبور بر حسب فرکانس بهنجار شده    را برای دو نمونه بلور فوتونی، با سلول پایه متشکل از استوانه دی‌الکتریک با دو شعاع متفاوت، برای حالت با پوشش و بدون پوشش بررسی و مقایسه شده است.

 

 

پایان نامه: بررسی برهمکنش کمپلکس های ضد سرطان دی فنیل تین دی کلراید با استفاده از ذرات نانو

گروه تحصیلات تکمیلی

 

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد M.Sc” “

 

شیمی معدنی

 

عنوان:

 

بررسی برهمکنش کمپلکسهای ضد سرطان دی فنیل تین دی کلراید با بهره گرفتن از ذرات نانو با C.T DNA و دی متیل تین دی کلراید با F.S DNA

 

استاد راهنما:

 

دکتر علیرضا گلچین

 

استاد مشاور:

 

دکترحبیبه حداد دباغی

 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)


فهرست مطالب:
فصل اول : مقدمه ۱
۱-۱- داروهای مورد مطالعه در شیمی درمانی ۳    
۲-۱ ویژگیهای داروهای درمان نئوپلاسم۳                                                                 
۱-۲-۱- انواع داروهای شیمی درمانی نئوپلاسم ۴
۳-۱- ساختمان DNA
۱-۳-۱- DNA معمولاً به صورت مارپیچ مضاعف است ۱۲
۲-۳-۱- – توالی بازهای دو زنجیره DNA مکمل یکدیگر است ۱۳
۳-۳-۱- کار DNAدر سلول‌ها ۱۴
۴-۳-۱- حالتهای DNA در شرایط متفاوت۲۰  
۴-۱-همانندسازی DNA
۵-۱-متیلاسیون DNA
۱-۵-۱-نقش متیلاسیون DNAدر وقوع بدخیمی‏های خونی۲۹
۶-۱-استخراج DNAاز باکتری های گرم منفی ۳۰
۷-۱-تاثیر حلالهای مختلف بر روی برهمکنشهای DNA
۸-۱-حلالپوشی نوکلئوزیدها در مخلوط حلالهای آلی و ارتباط آن با جفت بازهایDNA.
۹-۱-برهمکنش ترکیبات آلی قلع با DNA
۱۰-۱-برهمکنش یون های فلزی و اسیدهای نوکلئیک ۳۷
۱۱-۱-پیوند شدن لیگاند به ماکرومولکول ۳۸
فصل دوم: مواد وروشها
۱-۲ –مواد شیمیایی ۴۱
۲-۲ –روش ها ۴۱
۳-۲ –آزمایشات ویسکوزیته ۴۳
فصل سوم: برهمکنش کمپلکس دی فنیل دی کلرید قلع با DNA
۱-۳ –سنجش پیوندی کمپلکس DNA-SnCl2(Ph)2
۲-۳ –آنالیز جایگاه های پیوندی  SnCl2(Ph)2  در بر هم کنش با DNA.
۳-۳ –بررسی های ویسکوزیته ۵۴
۴-۳ –تاثیر نانو ذرات نقره بر پیوند لیگاند با DNA
فصل چهارم: برهمکنش کمپلکس دی متیل دی کلرید قلع با F.S DNA
۱-۴ –سنجش پیوندی کمپلکس F.S DNA -SnCl2(Me)2
۲-۴ –آنالیز جایگاه های پیوندی  SnCl2(Me)2   در بر هم کنش با DNA.
۳-۴ –بررسی های ویسکوزیته ۶۵
هدف از کار  ۶۷
پیشنهاد ۶۸  
فهرست منابع و مراجع ۷۰
چکیده:
در این مطالعه برهمکنش ترکیب دی فنیل دی کلرید قلع با Calf thymus DNA با بهره گرفتن از نانوذرات نقره و  ترکیب دی متیل دی کلرید قلع با Fish sperm DNA در۲۵^۰C و ۷= pH   با بهره گرفتن از روش های مختلف شامل طیف سنجی های ماوراءبنفش –مرئی UV-Vis) ) ، و اندازه گیری ویسکوزیته مطالعه شده است .
بررسی جایگاههای پیوندی لیگاند SnCl2(Ph)2 با بهره گرفتن از نمودارهای اسکاچارد و هیل نشان می دهد که دی فنیل دی کلرید قلع با برهمکنش با جایگاههای بیرونی همانند گروه های فسفات بر هم کنش دارد. بدون حضور نانو ذرات نقره اتصال لیگاند به DNA  امکان پذیر نمی باشد. در بررسی های انجام شده علیرغم نامحلول بودن لیگاند SnCl2(Ph)2 در حلال آب ، اتصال به DNA اتفاق می افتد و در غلظتهای بسیار پایین لیگاند تا حد بالایی این برهمکنش راسبب می شود.
همچنین برای لیگاند  SnCl2(CH3)2 بررسی جایگاههای پیوندی نشان می دهد که لیگاند دی متیل دی کلرید قلع ابتدا با جایگاه های بیرونی DNA همانند گروه های فسفات برهمکنش دارد و درنهایت شروع به متصل شدن به گروه های بازی می کند.

 

 

فصل اول: مقدمه
تاریخچه:
اصول علم شیمی درمانی، عمدتا در طول سالهای ۱۹۳۵ – ۱۹۱۹ برقرار گردید. ولی فقط از این موقع و بخصوص با ظهور سولفونامیدها و آنتی بیوتیکها بود که استفاده از مواد به عنوان محصولات مفید طبی واقعیت یافت. تنها مواد شیمی درمانی که قبل از زمان پل ارلیش شناخته شده بود، از گنه گنه برای درمان مالاریا، اپیکا برای اسهال آمیبی و جیوه برای درمان علائم سیفلیس تجاوز نمی‌کرد. ۳۰سال اول قرن بیستم، شاهد پیشرفت مواد شیمی درمانی مفیدی بود که در بین آنها، ترکیبات آلی حاوی فلزات سنگین مانند آرسنیک، جیوه و آنتیموان، رنگها و تغییرات چندی در مولکول کینین Quinine) (بود. این مواد، پیشرفتهای فوق‌العاده مفیدی را نشان داد، ولی با این حال زیانهایی در برداشت. ۳۰ سال دیگر از قرن بیستم، شامل دوران بیشترین پیشرفت در زمینه شیمی درمانی است.
برای اولین بار شیمی درمانی بین‌المللی در سال ۱۳۳۴ (ه.ش.) صورت گرفت. در آن زمان، تنها یک داروی ضد سرطان وجود داشت، اما امروزه هزاران داروی جدید و موثر کشف شده‌است
جراحی، اشعه درمانی و شیمی درمانی سه روش اصلی معالجه سرطان هستند. روش ناخوشایند جراحی ، در جلوگیری از انتشار سرطان ناموفق است. اشعه درمانی و شیمی درمانی در معالجه سرطانهایی که از یک ناحیه به نواحی دیگر بدن گسترش می یابند مانند سرطان خون مؤثرتر عمل می کنند اما دارای عوارض جانبی هستند مثل ریزش مو کم خونی و تهوع.
مطالعات برهمکنش دارو-DNA بسیار گسترده شده است[۱-۲]. به این دلیل که بسیاری از داروهای ضد سرطان ، تاثیر خود را با برهمکنش با DNA  سلول نشان می دهند. اغلب این داروها به عنوان عامل جلوگیری کننده از تهیه اسید نوکلئیک ایفای نقش کرده و در برهمکنش با DNA ، آن را از ساختار عادی خود خارج ساخته و باعث برهم خوردن فعالیت طبیعی DNA  می شوند.
یک گروه از داروهای ضد سرطان سیس پلاتین ها هستند که جزو کمپلکسهای کوئوردیناسیون معدنی می باشند[۳-۴].
عملکرد سیس پلاتین جلوگیری از نسخه برداری DNA است. این ترکیب با حمله به نیتروژن هفتم و اکسیژن ششم گوانین برهمکنش خود را انجام می دهد[۵-۶]. سیس پلاتین یونهای کلرید خود را در جریان خون بدلیل غلظت بالای یون کلرید حفظ می کند، اما در درون سلول ، با توجه به غلظت پایین یون کلرید با یک واکنش هیدرولیز ، تعادل برقرار می شود. [۷]
عوارض ناشی از شیمی درمانی:
تهوع، استفراغ، سرکوب مغز استخوان، اختلالات خونی، پوستی و متابولیک، عصبی و گوارشی و عفونی، ریزش مو، زخم و عفونت زبان و دهان، تغییرات و قطع عادت ماهانه در زنان، اختلال و کاهش اسپرم در مردان.
۱-۱- داروهای مورد مطالعه در شیمی درمانی
هدف درمان یک بیماری عفونی بدون صدمه زدن به میزبان، تا حدودی بوسیله آنتی بیوتیکی به نام پنی‌سیلین به انجام رسیده‌است. به تدریج ترکیبات متعدد دیگری مانند سولفانامیدها و انواع آنتی بیوتیکها کشف شدند. مواد شیمی درمانی می‌توانند بر حسب بیماریها و عفونتهایی که در درمان آنها مصرف می‌شوند یا بر اساس فرمول شیمیایی و ترکیبات وابسته به هم رده‌بندی گردند.
۲-۱- ویژگیهای داروهای درمان نئوپلاسم
الف-آنزیم هدف در سرطان دخیل باشد.
ب-داروهای ضد سرطان برای سلولهای سرطانی حساس به دارو بکار روند.
ج-دارو باید به سلول بدخیم برسد.
د-باید تنها در مرحله سیکل سلولی تجویز شود برای آنکه دارو موثر باشد.
ه-پیش از ایجاد مقاومت دارویی، سلول‌های سرطانی از بین برود. [۸]
۱-۲-۱- انواع داروهای شیمی درمانی نئوپلاسم
عمده داروهای مورد استفاده در شیمی درمانی می‌تواند در دسته‌ه ای زیر قرار بگیرد:
-آنتی‌متابولیت‌ها مانند آنتی فولاتها (نظیر متوتروکسات) و آنالوگهای پورین و پیریمیدین
-داروهای هورمونی ضد نئوپلاسم مانند تاموکسیفن و آنتی آندروژنها
-مهارکننده های رونویسی DNA مانند عوامل آلکیلان، نیتروژن موستارد و مهارکننده‌های توپوایزومراز (آنتراسیکلین ها)
-مهارکننده های میتوز مانند وینکریستین
-مهارکننده های آنژیوژنز
-مهارکننده های تیروزین کیناز مانند Gefitinib
-پادتن‌های مونوکلونال مانند Rituximab
-مهارکننده های پروتئازوم مانند Bortezomib
اغلب این داروها بر روی تقسیم سلولی اثر می‌گذارد و یا مانع سنتز شدن DNA می‌شوند. بعضی از داروهای جدید به DNA وارد نمی‌شوند این‌ها شامل پادتن‌های مونوکلونال و مهار کننده‌های جدید تیروزین کیناز می‌شوند که مخصوصا سلول‌های غیر طبیعی انواع خاصی از سرطان‌ها را مورد حمله قرار می‌دهد. علاوه بر این‌ها بعضی از داروها به منظور کنترل و تعدیل رفتار سلول‌های توموری بدون حمله مستقیم به این سلول‌ها به کار برده می‌شود. داروهای هورمون
ی از این نوع معالجه‌ها می باشد.
یک سیستم طبقه بندی و کدبندی برای مواد شیمی درمانی وجود دارد که این مواد را به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌کند که به اختصار به آن می‌پردازیم.
 عامل‌های آلکالوئید: عامل‌های آلکالوئید (شبه قلیایی) به این خاطر اسم گذاری شده‌اند که توانایی این را دارند که گروه قلیایی این داروها با تعداد زیادی از گروه های الکترونگاتیو در محیط سلول جفت شوند و پیوند دهند.سیس پلاتین و کربو پلاتین واکسالی پلاتین همه از این نوعند. دیگر داروها مکلورتامین، سیکلوفسفامید و کلرامبوسیل هستند. این عامل‌ها به وسیله تغییر شیمیایی در DNA سلول عمل می‌کنند.
آنتی متابولیت‌ها  :این داروها از تقسیم سلول با مهارساخت DNA جلوگیری می کنند.
وینکا آلکالوئید: وینکا آلکالویید در محل‌های مخصوصی در توبولین‌ها محصور می‌شوند واز جمع شدن توبولین‌ها در میکرو تیوبها جلو گیری می‌کنند. (یعنی فاز M چرخه سلولی). این داروها از پری وینکیل ماداگاسکار و کاتاراتس روسیس مشتق می‌شوند. وینکا الکالویدها شامل وینکریستین و وین بلاستین و وینور لبین و ویندستاین هستند.
پودوفایلو توکسین: از ترکیبات مشتق شده گیاهی است که برای تولید دو داروی سایتوستاتیک که “اتوپوساید”و “تنی پوساید” هستند استفاده می‌شود. این‌ها از وارد شدن سلول به فاز۱ G (شروع ساخت مجدد DNA) و شبیه سازی DNA یعنی فاز S جلو گیری می‌کند. البته مکانیسم دقیق این عمل‌ها هنوز به طور کامل شناسایی نشده‌ است.[۹]

پایان نامه : شبیه سازی عددی جریان نانوسیال‌ غیرنیوتنی در میکروکانال

موضوع:

 

شبیه سازی عددی جریان نانوسیال‌ غیرنیوتنی در میکروکانال

 

 

 

 

 

اساتید راهنما:

 

پروفسور علی اکبر رنجبر

 

دکتر عباس رامیار

 

 

 

 

 

بهمن ۱۳۹۱

 

 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
متن پایان نامه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
        چکیده:
تحقیقات در زمینه انتقال حرارت سوسپانسیون‌های با ذرات جامد در ابعاد نانومتر درون سیال پایه در دهه اخیر آغاز شده است. تحقیقات اخیر در زمینه نانوسیالات، نشان داده است که افزودن نانوذرات باعث افزایش چشمگیری در انتقال حرارت سوسپانسیون می‌شود. از راه‌های مرسوم دیگر جهت بهبود عملکرد حرارتی دستگاه‌ها، استفاده از کانال‌ها با ابعاد میلی و میکرو است. با توجه به گستردگی و اهمیت سیالات غیرنیوتنی در صنایع گوناگون، هدف از این تحقیق بررسی عددی جریان و انتقال حرارت نانوسیال‌ غیرنیوتنی در رژیم جریان آرام درون میکروکانال است.
در پایان‌نامه حاضر، از ترکیب‌ نانوسیال محلول ۵/۰% وزنی کربوکسی متیل سلولز- اکسید تیتانیم با قطر نانوذرات  nm10 و کسرهای حجمی متفاوت برای بررسی اختلاط جریان در کانال و میکروکانال استفاده شده است. از مدل تک‌فازی برای حل معادلات استفاده شده است. برای حل معادلات، یک کد عددی دو بعدی به زبان فرترن نوشته شده است. برای گسسته‌سازی معادلات حاکم از روش حجم محدود استفاده شده است. برای تولید شبکه، از آرایش شبکه هم‌جا استفاده شده و معادلات کوپل فشار و سرعت نیز با بهره گرفتن از الگوریتم سیمپل تغییر یافته حل شده‌اند. در نهایت تأثیر پارامتر اتلاف لزجی که در جریان سیال در کانال‌هایی با ابعاد معمول اهمیت چندانی ندارند و در میکروکانال‌ها حائز اهمیت می‌شود مورد مطالعه قرار گرفته‌است.

 

 

 
کلمات کلیدی: نانوسیال غیرنیوتنی، میکروکانال، انتقال حرارت جابجایی، شبکه همجا.
 


فهرست مطالب
فصل اول:    معرفی. ۱
مقدمه   ۲
۱-۱   مروری بر روش های افزایش انتقال حرارت. ۲
۱-۱-۱     میکروکانال‌ها. ۲
۱-۱-۱     مواد افزودنی به مایعات. ۳
۱-۲  نانوسیال ۳
فصل دوم: نانوسیال و تعیین خواص آن ۴
مقدمه   ۵
۲-۱  کاربردهای نانوسیال ۵
۲-۲ پارامترهای تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی. ۶
۲-۳ تعیین خواص نانوسیال ۶
۲-۳-۱   دانسیته ۷
۲-۳-۲  ظرفیت گرمایی ویژه. ۷
۲-۳-۳  ضریب هدایت حرارتی. ۷
۲-۳-۴  لزجت دینامیکی. ۸
فصل سوم: میکروکانال ۹
مقدمه   ۱۰
۳-۱  دلایل گرایش به ابعاد میکرو. ۱۰
۳-۲ دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد. ۱۰
۳-۳ اثرات ابعادی در میکروکانال ۱۱
۳-۳-۱   اثر ورودی. ۱۱
۳-۳-۳  اتلاف لزجی. ۱۳
فصل چهارم: سیالات غیرنیوتنی. ۱۴
مقدمه   ۱۵
۴-۱  معرفی سیالات غیرنیوتنی. ۱۶
۴-۲ رفتار مستقل زمانی سیال ۱۷
۴-۲-۱   رفتار نازک برشی. ۱۸
۴-۲-۱-۱ معادله سیال توانی یا استوالد دی وائل. ۱۹
۴-۲-۱-۱ معادله ویسکوزیته کراس ۲۱
۴-۲-۱-۳ معادله سیال الیس ۲۱
۴-۲-۲   رفتار ویسکو-پلاستیک سیال ۲۱
۴-۲-۳  رفتار ضخیم برشی یا دیلاتانت. ۲۴
۴-۳ رفتار وابسته زمانی سیال ۲۶
۴-۴ رفتار ویسکو الاستیک سیال ۲۶
فصل پنجم: بررسی کارهای انجام شده. ۲۸
مقدمه   ۲۹
۵-۱  جریان در میکروکانال ۲۹
۵-۲ نانوسیال ۳۳
۵-۳ سیال و نانوسیال غیرنیوتنی. ۳۶
۵-۴ نانوسیال در میکروکانال ۴۴
۵-۵ سیال غیرنیوتنی در میکروکانال ۴۶
فصل ششم: معادلات حاکم ۵۰
مقدمه   ۵۱
۶-۱  معادلات حاکم ۵۱
۶-۲ بررسی و گسسته سازی معادلات حاکم ۵۳
۶-۲-۱   معادله ممنتم در جهت x 54
۶-۲-۲   معادله انرژی. ۵۶
۶-۲-۳  حل معادله فشار. ۵۸
فصل هفتم:  نتایج. ۶۱
مقدمه   ۶۲
۷-۱  کانال ۶۲
۷-۱-۱    خواص رئولوژیکی نانوسیال ۶۳
۷-۱-۱    درستی آزمایی کد ۶۴
۷-۱-۲   حل مستقل از شبکه ۶۵
۷-۱-۳   نتایج. ۶۶
۷-۲ میکروکانال همگرا ۷۶
۷-۲-۱   حل مستقل از شبکه ۷۶
۷-۲-۲  نتایج. ۷۷
۷-۲ میکروکانال ۹۰
۷-۲-۱   حل مستقل از شبکه ۹۱
۷-۲-۲  نتایج. ۹۲
فصل هشتم:  نتیجه‌گیری و پیشنهادات. ۱۰۹
مراجع   ۱۱۱
 
 
 
 
 
فهرست شکل‌ها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

عنوان	شماره صفحه
شکل ۳-۱ شکل ناحیه ورودی برای سیالی با Pr>1 ]7[	۱۲
‏شکل ۴-۱  منحنی‌های جریان کیفی برای انواع مختلف سیالات غیرنیوتنی[chhabra]	۱۸
شکل ۴-۲ نمایش ویسکوزیته‌های یک محلول پلیمری در برش صفر و برش بی نهایت[chhabra]	۲۰
شکل ۴-۳ داده‌های تنش برشی-نرخ برش برای شیره گوشت و محلول کربوپول که به ترتیب رفتار بینگهام و ویسکو-پلاستیک نشان می‌دهند[chhabra]	۲۵
شکل ۴-۴ داده‌های تنش برشی- نرخ برش برای سوسپانسیون‌های TiO2 که رفتار ضخیم برشی نشان می‌دهند[chhabra]	۲۵
شکل ۶-۱ مقایسه شبکه الف) همجا و ب) غیرهمجا	۵۸
شکل ۶-۲ توزیع فشار غیر یکنواخت در یک شبکه همجا	۵۹
‏شکل ۶-۳ یک المان در شبکه همجا	۵۹
شکل ۷-۱ هندسه کانال دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت	۶۳
‏شکل ۷-۲ هندسه کانال ساده دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت	۶۴
شکل ۷-۳ درستی آزمایی کد	۶۴
شکل ۷-۴ درستی‌آزمایی کد در مقایسه با کار سانترا و همکاران ]۶۸[	۶۵
شکل ۷-۵ تغییرات شار حرارتی در دیواره بالا در کسر حجمی‌های مختلف نانوسیال در Rel=400 و nRe=1/5	۶۷
شکل ۷-۶  توزیع ضریب اصطکاک در دیواره بالایی در کسر حجمی‌های مختلف نانوسیال در Rel=200 و nRe=1/5	۶۸
شکل ۷-۷ توزیع عدد ناسلت در دیواره بالا در کسر حجمی‌ ۰۱/۰  نانوسیال به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم	۶۹
شکل ۷-۸  توزیع تنش برشی در دیواره بالا در کسر حجمی‌ ۰۱/۰  نانوسیال CMC- اکسید مس به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم	۶۹
شکل ۷-۹ عدد ناسلت متوسط به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی	۷۰
شکل ۷-۱۰ توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =۰/۰۱ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم	۷۱
شکل ۷-۱۱  توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =۰/۰۱ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم	۷۲
شکل ۷-۱۲  عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5 و ۰۱/۰  و مقادیر مختلف طول کانال	۷۳
شکل ۷-۱۳  توزیع خط جریان به ازای Rel=200 و nRe=1/5 و a) 01/0  و b) 04/0	۷۴
شکل ۷-۱۴   خطوط جریان برای ۰۱/۰  و nRe=1/5 و a)Rel=200  و b) Rel=400	۷۵
شکل ۷-۱۵ میکروکانال همگرای مورد بررسی	۷۶
شکل ۷-۱۶ نتایج حل مستقل از شبکه برای هندسه میکروکانال همگرا	۷۷
شکل ۷-۱۷ عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3،=۳o α و مقادیر مختلف کسر حجمی و عدد رینولدز	۷۸
شکل ۷-۱۸ عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و ۰۱/۰  و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α	۷۸
شکل ۷-۱۹ تنش برشی متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و ۰۱/۰  و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α	۷۹
شکل ۷-۲۰ مقایسه پروفیل سرعت خط مرکزی کانال برایRe=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر برای دو سیال نیوتنی و غیرنیوتنی	۸۰
شکل ۷-۲۱ توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای Re=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال	۸۱
شکل ۷-۲۲ توزیع تنش برشی روی دیوار پایین برای Re=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال	۸۱
شکل ۷-۲۳ توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای سیال نیوتنی و Re=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال	۸۲
شکل ۷-۲۴ پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=600،۰۴/۰ ،  AR=3/0 و مقادیر مختلف α	۸۳
شکل ۷-۲۵ پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=300، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال	۸۳
شکل ۷-۲۶ خطوط جریان در ۰۴/۰ ، AR=3، =۳ oα و a)Re=100 b)Re=300 و c)Re=600	۸۵
شکل ۷-۲۷ خطوط جریان در Re=300، ۰۴/۰ ، =۳ oα و a)AR=1، b)AR=2، c)AR=3 و d)AR=6	۸۷
شکل ۷-۲۸ خطوط جریان و گردابه‌ها به ازای Re=600، ۰۴/۰ ، AR=3 و a) =2o α، b) =3o α و c) =5o α	۸۹
شکل ۷-۲۹ توزیع بردار سرعت برای Re=600، ۰۴/۰ ، AR=3 و =۳o α	۸۹
شکل ۷-۳۰   هندسه و شرایط مرزی میکروکانال مورد بررسی	۹۰
شکل ۷-۳۱ اندیس تابع نمایی وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2 ]73[	۹۱
شکل ۷-۳۲ اندیس سازگاری وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2 ]73[	۹۱
شکل ۷-۳۳  توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی	۹۳
شکل ۷-۳۴  توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی	۹۴
شکل ۷-۳۵  توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در  ۰/۰۱= ، Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم	۹۴
شکل ۷-۳۶  توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در  ۰/۰۱= ، Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم	۹۵
شکل ۷-۳۷  عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی	۹۶
شکل ۷-۳۸  تنش برشی متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی	۹۶
شکل ۷-۳۹  توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =۰/۰۴ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم	۹۷
شکل ۷-۴۰  توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =۰/۰۴ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم	۹۸
شکل ۷-۴۱  عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال	۹۹
شکل ۷-۴۲  تنش برشی متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال	۹۹
شکل ۷-۴۳  اثر ترم اتلاف لزجی روی انتقال حرارت در Rel=400، nRe=1/5 و ۰۱/۰	۱۰۰
شکل ۷-۴۴  عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم	۱۰۱
شکل ۷-۴۵  تنش برشی متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم	۱۰۲
شکل ۷-۴۶ پروفیل سرعت در مرکزکانال در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی و تغییر محل ورودی دوم	۱۰۲
شکل ۷-۴۷  توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=600، nRe=1/5 و  ۰۴/۰  و مقادیر مختلف شار حرارتی روی دیوار بالا	۱۰۳
شکل ۷-۴۸ مقایسه پروفیل سرعت توسعه یافته برای سیال نیوتنی و سیال غیرنیوتنی خالص و نانوسیال غیرنیوتنی	۱۰۴
شکل ۷-۴۹   پروفیل سرعت در Rel=600، nRe=1/5، ۰۱/۰   و x های مختلف	۱۰۵
شکل ۷-۵۰   توزیع خط جریان به ازای Rel=400 و nRe=1/5 و a) 0/0  و b) 04/0	۱۰۶
شکل ۷-۵۱   خطوط جریان برای ۰/۰  و nRe=1/5 و a)Rel=400  و b) Rel=600	۱۰۷
شکل ۷-۵۲   خطوط جریان به ازای ۰۴/۰  و nRe=1/5 و در Rel=400 a) با در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز و b) بدون در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز	۱۰۸

 
 
فهرست جدول‌ها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

عنوان	شماره صفحه
جدول ۲-۱ خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات	۷
‏جدول ۳-۱ دسته بندی انواع کانال از لحاظ قطر هیدرولیکی	۱۱
جدول ۴-۱ مقادیر ویسکوزیته برخی سیالات معمول در دمای اتاق	۱۶
جدول ۷-۱ خواص رئولوژیکی نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم در دمای ۲۵oC	۶۳
جدول ۷-۲ نتایج حل مستقل از شبکه برای ماکروکانال	۶۶
جدول ۷-۳  خواص رئولوژیکی وابسته به دما برای نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم	۹۲
جدول ۷-۴  نتایج حل مستقل از شبکه برای میکروکانال	۹۲

 

مقدمه

 

گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاه­ها، دستگاه­های نوری، آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوتر­های فوق سریع و موتور اتومبیل از اهمیت زیادی برخوردار است. سیستم­های خنک‌کننده وگرمایشی بر پایه روش‌های مختلف انتقال حرارت طراحــی می­شوند. با توجه به این امر توسعه تکنیک­های موثر انتقال حرارت با توجه به محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینه­ها بسیار ضروری می­باشد. در این فصل ابتدا روش‌های بهبود انتقال حرارت را دسته‌بندی کرده و سپس در مورد روش‌هایی که در این پایان‌نامه به کار گرفته خواهند شد، با جزئیات بیشتری شرح داده خواهد شد.

 

۱-۱   مروری بر روش های افزایش انتقال حرارت

 

در چند دهه اخیر به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش‌های زیادی برای ساخت دستگاه‌های تبادل کننده حرارتی پربازده صورت پذیرفته است که هدف اصلی آن‌ها کاهش اندازه وسایل حرارتی مورد نیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت انتقال حرارت می‌باشد. با نگاهی کلی بر کارهای انجام شده در این زمینه، می‌توان روش‌هایی که برای این کار ارائه شده است را به دو دسته کلی تقسیم کرد:

 

 

1. روش‌های غیر فعال که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
2. روش‌های فعال که نیازمند توان خارجی می‌باشند.

از روش‌های غیر فعال می‌توان به استفاده از سطوح گسترده، مبدل‌های حرارتی فشرده، مجاری با مقاطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای، میکروکانال‌ها، پوشش‌دهی و پرداخت سطح ، موجی‌کردن سطح و. و از روش‌های فعال نیز می‌توان همزدن مکانیکی، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال ، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش را اشاره کرد با توجه به اینکه در پایان‌نامه پیش رو، از دو عامل میکروکانال‌ها و مواد افزودنی به مایعات استفاده شده است، این‌دو روش مختصرا شرح داده خواهند شد. برای توضیحات بیشتر می‌توانید به رامیار ]۷[ مراجعه کنید.

 

 

۱-۱-۶ میکروکانال‌ها
یکی دیگر از روش‌های افزایش انتقال حرارت، استفاده از میکروکانالها می‌باشد. استفاده از این روش در صنایع و دستگاه‌های متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونیکی، مبدل‌هایِ حرارتیِ میکروکانال، سرمایش و روان‌سازی سیستم‌های روباتیک، سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی و میکرورآکتورها کاربرد دارند. اساس کار میکروکانال‌ها افزایش نسبت سطح انتقال دهنده حرارت می‌باشد.
۱-۱-۱۰ مواد افزودنی به مایعات
افزودن ذرات جامد به صورت معلق در سیال پایه یکی از روش‌های افزایش انتقال حرارت می‌باشد. افزایش ضریب هدایت حرارتی ایده اصلی در بهبود مشخصه‌ های انتقال حرارت سیالات است. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد فلزی معمولاً بزرگتر از سیالات می‌باشد، انتظار می‌رود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال پایه گردد. افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از ۱۰۰ سال است که شناخته شده می‌باشد [‎۲] اما استفاده از این ذرات بدلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار کوچک، میسر نیست. یکی دیگر از این روش‌ها تزریق گاز به داخل مایعات می‌باشد. با تزریق هوا به آب و اتیلن گلیکول افزایش تا ۴۰۰% در ضریب انتقال حرارت مشاهده شده است [‎۳].

 

۱-۲   نانوسیال

 

پیشرفت‌های اخیر در مهندسی مواد و توسعه فناوری‌های جدید زمینه را برای تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانو مواد) فراهم کرده است. با پخش کردن این مواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می‌آید که نانوسیال نامیده می‌شود. ایده اصلی در این روش در واقع از همان روشِ اضافه کردن ذرات جامد به سیال گرفته شده است. نانو مواد خواص حرکتی و حرارتی سیال را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهند. نانو ذرات در مقایسه با ذرات در اندازه میلی‌متر یا میکرومتر دارای سطح تماس بیشتری هستند که قابلیت انتقال انرژی را بین ذرات جامد و سیال افزایش می‌دهد. مزیت دیگر این نوع سیال کوچک بودن نانوذرات پخش شده در آن است. این ذرات دارای ممنتوم کمتری هستند که در نتیجه از خوردگی دیواره لوله‌ها و کانال‌ها جلوگیری می‌شود. امکان ته نشین شدن این ذرات بدلیل وزن کم آن کمتر است. در فصل دوم درباره نانوسیال، خواص و ویژگی‌های آن به تفصیل توضیح داده شده است.
 
 

 

فصل دوم

 

نانوسیال و تعیین خواص آن

 

 
 

 

مقدمه

 

یکی از راه‌های بهبود فرآیند انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی، افزودن موادی با ضریب هدایت حرارتی بالا به سیال است. محققان سال‌ها بر روی استفاده از مخلوط ذرات جامد معلق بسیار کوچک در ابعاد میکرو در سیال برای بهبود انتقال حرارت کار کردند. اما این سیالات مشکلات فراوانی مانند رسوب گذاری، ناخالصی، خوردگی و افزایش افت فشار و. داشته اند تا اینکه در سال ۱۸۸۱ ایده استفاده از ذرات برای اولین بار توسط ماکسول [۲] مطرح شد و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آمد. در واقع او دیدگاه تازه­ای را در مورد سوسپانسیون سیال جامد با ذراتی در ابعاد نانو مطرح کرد. اولین بار ماسودا و همکاران [‎۵] این سیال حاوی ذرات معلق را با نام ” نانوسیال” معرفی کردند و بعد از آنها چوی [‎۶] در آزمایشگاه آرگون آمریکا این مفهوم را به طور گسترده‌ای توسعه داد.
نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر معلق در یک سیال پایه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، پتاسیم، سیلیسیم و اکسیدهای آن­ها و همچنین نانولوله‌های کربن و سیالات پایه نیز عمدتا از سیالات با رسانایی نسبتاً پایین‌تر مانند آب، اتیلن گلیکول و سیالاتی از این دسته که در صنعت به عنوان‌ هادی انتقال حرارت مورد استفاده قرار می­گیرند، می­باشند. نانوذرات نسبت به ذرات بزرگتر مانند میکروذرات، بسیار پایدارتر بوده و سطح تماس بیشتری با ناحیه سیال دارند. در واقع دو مشخصه اصلی نانوسیال یکی پایداری بسیار زیاد و دیگری ضریب هدایت حرارتی بسیار بالای آن است. همچنین به دلیل کوچک بودن ذرات، تا حد زیادی مشکلات خوردگی و افت فشار کاهش پیدا می‌کند و همچنین پایداری برخی سیالات در مقابل رسوب­گذاری بطور چشم­گیری بهبود می‌یابد.
۲-۱  کاربردهای نانوسیال   
از نانوسیال می‌توان برای بهبود انتقال حرارت و افزایش راندمان در سیستم‌های مختلف انرژی همانند خنک‌کاری اتومبیل‌ها و موارد مشابه استفاده کرد. در حال حاضر تعداد مؤسسات صنعتی و تحقیقاتی که در حال بررسی استفاده از نانوسیال در محصولات خود هستند در حال افزایش است. در مورد زمینه‌های مختلف کاربرد نانوسیال، چه آنان که بصورت بالقوه وجود دارند و چه آنهایی که بصورت بالفعل در آمده‌اند، بطور مختصر می‌توان به کاربردهای آن در صنعت حمل و نقل، خنک کاری صنعتی،  رئوکتورهای اتمی، استخراج انرژی از منابع گرمایی و دیگر منابع انرژی، خنک کاری قطعات الکترونیکی، زمینه‌های نظامی، کاربردهای فضایی، زمینه‌های پزشکی و انتقال دارو نام برد. برای کسب اطلاعات کامل در زمینه تولید و کاربرد نانوسیالات می‌توانید به رامیار [‎۷] مراجعه کنید.

 

۲-۲ پارامترهای تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی

 

نتایج اولیه تجربی از بررسی انتقال حرارت نانوسیال در کانال‌هایی با هندسه‌های مختلف، حاکی از بهبود شدید در ضریب هدایت حرارتی و به تبع آن، ضریب انتقال حرارت جابجایی بود. تحقیقات متعددی برای بررسی علت این رفتار غیر متعارف صورت گرفت و حتی برخی از مقالات در سال‌های اخیر این رفتار را رد کردند. عوامل مؤثر بر خواص انتقال حرارتی نانوسیال عبارتند از:
کسر حجمی، جنس نانوذرات، نوع سیال، اندازه نانوذرات، شکل نانوذرات، دما، حرکت براونی، خوشه‌ای شدن، لایه‌ای شدن در اطراف نانوذره، ترموفورسیس، دیفیوژئوفورسیس.
برای توضیحات بیشتر در مورد هر یک از این عوامل می‌توانید به رامیار [‎۷] مراجعه فرمایید.

 

۲-۳ تعیین خواص نانوسیال

 

تاکنون محققان بسیاری در زمینه بدست آوردن خواص نانوسیالات پژوهش‌های متعددی انجام داده‌اند. در ‏جدول ۲-۱خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات آورده شده است. در این پژوهش از نانوذره TiO₂  استفاده شده است. همانطور که در قسمت قبل نیز اشاره شد، با توجه به تغییر غیر طبیعی خواص نانوسیال، بخصوص ضریب انتقال حرارت هدایتی و لزجت دینامیکی، تلاش‌های زیادی در جهت شناخت عواملی که منجر به این تغییرات می‌شوند و دستیابی به رابطه مناسب برای تعیین این خصوصیات صورت گرفته است. در این بخش به بررسی روابط استفاده شده در این پژوهش پرداخته می‌شود
گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاه­ها، دستگاه­های نوری، آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوتر­های فوق سریع، موتور اتومبیل و . حائز اهمیت است. با توجه به طراحــی سیستم­های خنک‌کننده و گرمایشی بر پایه روش‌های مختلف انتقال حرارت و محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینه­ها ، توسعه تکنیک­های موثر انتقال حرارت بسیار ضروری می­باشد. در این فصل بطور مختصر، برخی از اثرات و نتایج در ابعاد میکرو مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

۳-۱ دلایل گرایش به ابعاد میکرو

 

فرآیند انتقال حرارت به مساحت سطح دیواره بستگی دارد که برای هندسه دایروی با قطر لولهD   متناسب است، در حالیکه دبی حجمی سیال عبوری با سطح مقطع سیال متناسب است که بطور خطی با D² تغییر می‌کند. بنابراین نسبت مساحت دیواره به حجم سیال که معیاری از نسبت گرمای دفع شده توسط کانال مورد نظر به دبی سیال عبوری یا حجم سیال موجود است و در طراحی مبدل‌های حرارتی بخصوص میکرو مبدل‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است، با ۱/D تغییر می‌کند. بنابراین با کاهش قطر، نسبت مساحت دیواره به حجم سیال و کارآیی حرارتی مبدل افزایش می‌یابد. بنابراین با کاهش قطر هیدرولیکی کانال، نسبت سطح به حجم آن و در نتیجه کارآیی حرارتی آن افزایش می‌یابد.

 

۳-۲ دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد

 

معیارهای مختلفی برای دسته‌بندی کانال‌ها وجود دارد. همان‌طور که در بخش بعد خواهیم گفت، نتایج برخی تحقیقات حاکی از تغییر رفتار سیال در ابعاد کوچک است. در مورد این‌که آیا این تغییرات اصولاً وجود دارند یا این‌که در صورت وجود برای یک هندسه کانال خاص از چه قطر هیدرولیکی اتفاق می‌افتند، اختلاف وجود دارد، اما آنچه که در مورد آن توافق کلی وجود دارد، عدم تبعیت گاز از شرط عدم لغزش در دیواره کانال در ابعاد خیلی کو‌چک است. ‏جدول ۳-۱ دسته‌بندی کانال‌ها را از لحاظ ابعاد یا قطر هیدرولیکی نشان می‌دهد که با توجه به نتایج موجود، به نظر می‌رسد محدوده میکروکانال آن بر اساس لغزش سیال انتخاب شده است[‎۷].
 
۳-۳  اثرات ابعادی در میکروکانال
با توجه به فرضیاتی که در رسیدن به معادلات حاکم بر جریان سیال در کانال‌هایی با ابعاد معمول از آنها استفاده می‌شود، همانند فرض جریان پایا و خواص ثابت سیال، به نظر می‌رسد که با تغییر ابعاد کانال، معادلات برقرار هستند. اما با دقت بیشتر مشاهده خواهد شد که برخی از فرضیات در ابعاد خیلی کوچک برقرار نیستند یا برخی موارد جدید باید درنظر گرفته شوند که بر معادلات حاکم تأثیر خواهند گذاشت. در این قسمت به بررسی اجمالی اثر ترم اتلاف لزجی، که در این پایان‌نامه مورد بررسی قرار گرفته است، بر شرایط فیزیکی جریان پرداخته خواهد شد. برای بررسی مفصل این اثرات می‌توانید به رامیار ]۷[ مراجعه کنید.

 

۳-۳-۱   اثر ورودی

 

عدد ناسلت در جریان آرام درون کانال‌ها، تنها برای جریان کاملاً توسعه‌یافته یعنی حالتی که پروفیل سرعت و گرادیان دما بدون تغییر باقی بمانند، ثابت است. در ناحیه ورودی، پروفیل سرعت و دما در حال توسعه می‌باشند و عدد ناسلت تغییر می‌کند. در تئوری کلاسیک دینامیک سیال، دو طول ورودی حائز اهمیت هستند:
۱- طول ورودی هیدرودینامیکی، L_h، که بعد از آن پروفیل سرعت توسعه‌ یافته می‌شود.
۲- طول ورودی دما L_t که بعد از آن پروفیل دما توسعه یافته می‌شود.

پایان نامه : کنترل غیرخطی بهینه ی جرثقیل های حامل کانتینر با استفاده از معادلات ریکاتی وابسته به حالت(SDRE) در …

استاد راهنما:

 

پروفسور حمید خالوزاده

 

 

 

 

 

 

 

تابستان  ۱۳۹۲

 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
متن پایان نامه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
 
 
کنترل غیرخطی بهینه­ جرثقیل­های حامل کانتینر با بهره گرفتن از معادلات ریکاتی وابسته به حالت (SDRE) در حضور اغتشاش باد
 
هدف اصلی از انجام این پروژه، طراحی یک کنترل­ کننده­ غیرخطی بهینه به منظور کاهش و تضعیف اثر اغتشاش باد بر تاب خوردن جرثقیل­های حامل کانتینر است. اغلب کنترل­ کننده­ها برای این دسته از سیستم­ها طوری طراحی شده که بار را با بیشترین سرعت وکم ترین تاب خوردن از مبدا به مقصد انتقال دهد، به گونه­ای که هنگام رسیدن کانتینر به مقصد،  تاب خوردن­ به صورت کامل از بین رفته باشد. در تحقیق حاضر، کنترل­ کننده را با ایجاد درجات آزادی اضافی به سیستم مکانیکی، جدا از ارابه طراحی کرده، و با اعمال این روش کنترل­ کننده در حمل بار تداخلی ایجاد ننموده، در نتیجه سرعت حمل و نقل افزایش می­یابد. به منظور حفظ ماهیت غیرخطی سیستم، از کنترل­ کننده­ بهینه­ غیرخطی استفاده شد که این عملگر توسعه­یافته­ی کنترل­ کننده­های بهینه­ خطی می­باشند، به گونه­ای که در این عملگر معادلات ریکاتی، وابسته به حالت است. در تحقیق حاضر با در نظر گرفتن اغتشاش باد، معادلات جدید اثبات گردید، پس از استفاده از این معادلات، مشاهده شد که حذف حرکت تاب خوردن جرثقیل، با شتاب حرکتی قابل قبول ارابه امکان پذیر است.

 

 

کلید واژه: جرثقیل حامل کانتینر، کنترل غیرخطی، کنترل بهینه، مدل سازی، اغتشاش باد
 
 
 
فهرست مطالب
 
 

 

 

 

عنوان

صفحه

 
۱- فصل اول: مقدمه. ۱
۱
۳
۴
۸
۱۰
۱۱
۱۱
۱۱
۱۳
۱۸
۲۱
۲۵
۲۶
۲۶
۲۹
۳۲
) ۳۸
۴۰
۴۶
۴۶
۴۷
۴۹
۵۰
۵۰
۳-۶-۶- محدودیت حالت­ها ۵۱
۵۶
۵۷
۵۷
۵۷
۵۹
۶۹
۷۰
۷۰
۷۱
۷۲
پیوست (۱) ۷۵
پیوست (۲) ۷۶
صفحه چکیده به زبان انگلیسی: ۷۷
 
 
 
فهرست شکل­ها
 
 

 

 

 

عنوان

صفحه

 
۳
۶
۷
۹
۱۳
۲۳
۲۳
۲۴
۲۴
۴۴
۴۴
۴۵
۶۳
۶۳
۶۴
۶۴
۶۵
۶۵
 
۶۶
۶۶
۶۷
۶۷
۶۹
 
 

 

۱-     فصل اول: مقدمه

 

 

 

 

 

۱-۱-  پیشگفتار

 

 
از ابتدای خلقت انسان تا کنون حمل بار یکی از بزرگترین چالش­های است که بشر با آن مواجه بوده، و به گواه باستان­شناسان همواره در تکاپو بوده تا رهیافتی ساده­تر و دقیقتر برای آن داشته باشد. یکی از اولین و مهمترین این روشها، اختراع چرخ بوده که با گذر تاریخ این وسیله پیشرفت­های بسیاری داشته به گونه­ای که در دنیای مدرن امروزی می­توان مدعی بود که حمل هر نوع باری با دقت بسیار بالا امکان­پذیر است.
پس از کشف ماشین بخار و بهره­ گیری از آن در کشتی­ها که قدمت آن به بیش از سیصد سال می­رسد، بیش از پیش حمل­ونقل دریایی یکی از مطمئن­ترین و ارزانترین روش­ها برای حمل بار بوده و امروزه نیز با وجود پیشرفت فراوان در سایر روش­های حمل­ونقل، هنوز هم راه دریایی یکی از بهترین روش­ها محسوب می­شود؛ به گونه­ای که دسترسی به آب­های آزاد و امکان تجارت دریایی یکی از موارد استراتژیک برای دولت­ها به­شمار می­آید.

 

 

امروزه به منظور حمل بارهای خطرآفرین، پرحجم و سنگین در کارخانه­ها، بندرها، تاسیسات هسته­ای و سازه­های مرتفع از جرثقیل استفاده می­ کنند.
جرثقیل­ها را بر اساس ساختاری به دو نوع چرخشی[۱] و ستون­دار[۲] تقسیم بندی می­ کنند. جرثقیل­های حامل کانتینر از نوع جرثقیل­های ستون­دار می­باشد. دو نوع جرثقیل­­ حامل کانتینر وجود دارند. این دو عبارتند از: جرثقیل­ سوار بر ریل مجاور بندر[۳] و جرثقیل­ لاستیک پلاستیکی ستون دار[۴].
جرثقیل­های ستون­دار دارای یک ارابه[۵] می­باشند که به صورت افقی حرکت می­ کند. بار توسط یک کابل به ارابه وصل می­گردد. طول این کابل به هنگام فرآیند بالاکشیدن بار[۶] تغییر می­ کند. اغلب این دسته از جرثقیل­ها را به صورت یک پاندول ساده[۷] مدل می­ کنند. این جرثقیل­ها انواع مختلفی دارند که جرثقیل­های حامل کانتینر یکی از آن­ها می­باشد. این جرثقیل­ها در حمل کانتینر از کشتی به اسکله و بالعکس مورد استفاده قرار می­گیرد. (شکل ‏۱‑۱) نمونه­ای از این نوع جرثقیل­ها را نشان می­دهد. در این کار به کنترل و مدل­سازی این دسته از جرثقیل­های ستون­دار می­پردازیم.
از اقسام دیگر جرثقیل­های ستون­دار، جرثقیل­های ستون­دار محل­کار[۸] و جرثقیل­های ستون­دار سوار بر ریل[۹]، که به ترتیب در حمل اجناس کوچک در کارخانه­ها و اجناس سنگین در کارخانه­ای اتومبیل­سازی، کاغذسازی و نورد فولاد استفاده می­شوند، می­باشند.
جرثقیل­های حامل کانتینر نوع اول، در این کار مدنظر ما خواهد بود. به طور معمول کنترل این دسته از جرثقیل­ها بر اساس سه عملکرد گذاشتن ارابه[۱۰] (انتقال بار از کشتی به بندر و بالعکس)، بالاکشیدن بار و پایین­آوردن آن؛ جداگانه مورد بررسی قرار می­گیرند. ما در این کار، روی کنترل فرآیند گذشتن ارابه تمرکز خواهیم کرد. این نوع از جرثقیل­ها تفاوت مهمی با سایر جرثقیل­های ستون­دار دارند، که این تفاوت در داشتن چهار عدد طناب برای بالاکشیدن است؛ به طوریکه این چهار طناب به چهار گوشه­ی یک تخته­ی پخش­کننده[۱۱]، که بر روی کانتینر قرار گرفته است، وصل می­شوند. به این تخته پخش کننده در جرثقیل­های حامل کانتینر، سکوی کانتینر[۱۲] نیز می­گویند. این تغییر ساختار، مدل و دینامیک این جرثقیل­ها را نسبت به سایر جرثقیل­های ستون­دار  متفاوت می­ کند. بنابراین دیگر نمی­توان مدل این جرثقیل­ها را به صورت یک پاندول ساده در نظر گرفت.

 

 

 

۱-۱-  ضرورت طراحی کنترل­ کننده­

 

 
در جهان مدرن امروزی همگان از اهمیت دستاوردهای اقتصادی افزایش سرعت حمل­ونقل آگاه هستند. یکی از این رهیافت­های افزایش سرعت جا به ­جایی بار استفاده از کانتینرها به منظور حمل­ونقل بار توسط کشتی­ها می­باشد. از طرف دیگر، در حمل­ونقل دریایی زمان بسیاری به هنگام تخلیه بار و با انتقال آن در کشتی به هدر می­رود. این کار بسیار مهم توسط جرثقیل­های حامل کانتینر انجام می­شود. بارهای کانتینری در هنگام جا به ­جایی تاب می­خورند. این تاب­خوردن­ها ناشی از عنصر اینرسی[۱]، که همان بار می­باشد، است؛ هم­چنین این تاب خوردن­ها با عواملی چون افزایش سرعت و شتاب ارابه­ی این جرثقیل­ها و اغتشاشاتی مانند باد تشدید می­شوند. تجاوز این تاب خوردن­ها از حد قابل مجازشان منجر به خطرات سهمگینی خواهد شد. علاوه بر این، در نقطه مقصد نیز باید این تاب خوردن­ها به صورت کامل حذف گردد. در نتیجه اغلب رانندگان ماهر جرثقیل­ با کم نمودن به موقع حرکت ارابه از بروز چنین حوادثی جلوگیری می­ کنند. ایرادی که در انجام به این رویه کاری وجود دارد در این است که ابتدا نیاز به استخدام یک راننده بسیار ماهر در این زمینه خواهیم داشت؛ که این به نوبه­ی خود هزینه خواهد داشت. دومین مطلب اینکه هر چقدر هم که این رانندگان ماهر باشند؛ باز هم خطر بروز حوادثی ناشی از بی­دقتی یا مطلوب نبودن شرایط جسمانی و روانی راننده  وجود خواهد داشت. در آخر راننده­های بسیار ماهر هم قادر به حمل بار با بیشترین سرعت ممکن و در عین حال کاهش تاب خوردن­ها به کم­ترین مقدار ممکن نیستند. در واقع انسان هیچ­گاه قادر به حرکت در بهینه ترین مسیر در چنین مسایلی نخواهد بود. بنابراین نیاز به طراحی یک کنترل­ کننده­ بهینه به منظور کاهش این تاب­خوردن­ها ضروری می­باشد.
 
 

 

۱-۲- تاریخچه

 

 
در کارهایی که تا به حال دیده شده است، نیروی کنترلی را با نیروی تولیدکننده­ی حرکت خطی ارابه معادل می­گیرند. بنابراین کنترل­ کننده در حرکت ارابه و در نتیجه سرعت جا به ­جایی بار تاثیر منفی خواهد داشت. هم­چنین اکثر این کنترل­ کننده­ها حلقه باز[۲] بوده و در نتیجه در مقابل نامعینی و اغتشاش حساس می­باشند. در بسیاری از موارد در آن­ها از شکل­دهی ورودی[۳] استفاده شده است که یک کنترل­ کننده­ حلقه باز می­باشد. نکته­ی آخر در طراحی چنین کنترل­ کننده­هایی ضرورت انجام طراحی مسیر می­باشد. در [۱]،  یک کنترل­ کننده­ نیروی فعال[۴] را برای جرثقیل­های ستون­دار طراحی کرده­اند. این کنترل­ کننده دقیقاً روی نیروی حرکت دهنده­ی ارابه پیاده شده است. با این حال، در [۱] ادعا شده است که کنترل­ کننده در مقابل اغتشاشات عملکرد مقاومی[۵] از خود نشان می­دهد. در [۲]، برای مدل خطی جرثقیل­های حامل کانتینر یک کنترل­ کننده­ بهینه­ خطی ساخته شده است. هم­چنین این کنترل­ کننده را عملاً با کمک حس­گرهای[۶] مناسب پیاده­سازی نموده ­اند. برای تشخیص جا به ­جایی تخته پخش­کننده از پردازش تصویر[۷] با کمک دوربینی تعبیه شده در قسمت تحتانی ارابه و نشان­گرهایی بالای تخته­ی پخش­کننده استفاده شده است. برای تشخیص مکان و سرعت ارابه هم به ترتیب از کدکننده[۸]  و تولیدکننده­ی تاکو[۹] استفاده شده است. به طور طبیعی خطی بودن مدل و کنترل­ کننده­ بهینه خواص غیرخطی سیستم را حفظ نمی­کند؛ همچنین در این کار، راه حلی برای جداکردن کنترل­ کننده از ارابه ارائه نشده است. در[۳]، یک مدل غیرخطی را به کمک شبکه عصبی[۱۰] کنترل بهینه نموده ­اند. در [۴]، یک کنترل­ کننده­ غیرخطی بر مبنای خطی­سازی پس­خورد[۱۱] برای جرثقیل­های حامل کانتینر طراحی شده است. به علاوه در این کار عمل بالاکشیدن نیز منظور شده است. یکی از مشکلات عمده­ی استفاده از این مدل­ها، عدم توانایی آن­ها در بیان انحراف پیچشی[۱۲] بار می­باشد. این حرکات پیچشی بر اثر بار به مقدار کمی به­وجود می­آیند. علاوه بر این، بنا به دلایلی چون عدم برابری طول جفت کابل­های چپ و راست، باد و عدم تعادل در بار موجود در کانتینر تشدید می­شوند. بنابراین، علاوه بر کنترل تاب خوردن­ها باید این پیچش­ها را نیز کنترل نمود. در [۵]، دو راه برای کنترل این­گونه از پیچش­ها پیشنهاد شده است:

 

 

• کنترل مستقل جفت طناب­های چپ و راست یا بالاکشیدن و پایین­آوردن هر یک از آن­ها که اگر چه حرکت پیچشی را کنترل می­ کند، خود می ­تواند در تشدید تاب­خوردن­ها تاثیر منفی بگذارد.
• حرکت هر یک از دو جفت کابل، توسط دو واگن تعبیه شده در ارابه، در جهت مخالف یکدیگر روی محور x با نیرویی برابر و مخالف یکدیگر به­طوریکه منجر به تولید یک گشتاور بشود. این گشتاور همان کنترل­ کننده­ حرکات پیچشی خواهد بود. نحوه­ی پیاده­سازی چنین کنترل­ کننده ­ای در شکل‏۱‑۲ آورده شده است.

به منظور رفع مشکل تاثیر کنترل­ کننده بر روی حرکت ارابه می­توان از عملکرد بالاکشیدن به عنوان کنترل­ کننده استفاده کرد [۶]. بدین صورت که با تغییر طول طناب یک نیروی کجی[۱۳] تولید می­شود. به این ترتیب تاب خوردن را می­توان با آن نیروی کج کنترل نمود. مشکلات این کار در پیچیدگی و دشواری مدل­سازی می­باشد. علاوه بر این وظیفه تغییر طول کابل با راننده­ی جرثقیل خواهد بود. بنابراین از زمان فرمان تغییر طول کابل توسط راننده تا شکل­ گیری این تغییر طول زمانی طول خواهد کشید. در نتیجه نیاز به طراحی کنترل­ کننده­ با پس­خورد تاخیردار[۱۴] می­باشد.