وبلاگ

در این فصل ابتدا به بررسی زاویه بهینه و بیشینه انرژی دریافتی در کلکتورهای خورشیدی و پانل های فتوو لتاییک می پردازیم و در ادامه زاویه هلیواستات ها در نیروگاه خورشیدی را مورد بررسی قرار می دهیم.
2-2 مباحث لازم از انرژی خورشیدی
در شکل 2-1 نمایی کلی از یک کلکتور خورشیدی قابل مشاهده می باشد. همان گونه که در شکل مشاهده می شود جهت و موقعیت هر صفحه در هر لحظه توسط دو زاویه شیب و سمت الرأس مشخص می شود که به ترتیب عبارتند از:

• زاویه شیب (Slope angle ) : عبارت است از زاویه بین صفحه مورد نظر و سطح افق.    ( به این معنی است که سطح صفحه مورد نظر رو به پایین است).

• زاویه سمت الراس صفحه (Surface azimuth angle) : اگر راستای عمود بر سطح صفحه مورد نظر را بر صفحه افق تصویر کنیم، راستای این تصویر با راستای نصف النهار محلی زاویه ای می سازد که همان زاویه سمت صفحه می باشد. اگر راستای تصویر در امتداد شمال به جنوب باشد، صفرخواهد بود. شرق منفی و غرب مثبت در نظر گرفته می شود.

زوایای مشخص کننده موقعیت خورشید نسبت به محل مورد نظر  ،  و  می باشند که به تریب عبارتند از:

• زاویه سمت الرأس خورشید (Zenith angle) : راستایی که مکان مورد نظر را به خورشید متصل می کند، با راستای قائم زاویه ای می سازد که همان زاویه سمت الرأس خورشید است.

• 

•  

• زاویه ارتفاع خورشید (Solar altitude angle) : زاویه ای است که خط واصل خورشید و مکان مورد نظر با افق می سازد. در واقع زاویه ارتفاع خورشید متمم زاویه سمت الرأس است.

• زاویه سمت خورشید (Solar azimuth angle) : زاویه ای است که تصویر راستای تابش خورشید بر سطح افق، با راستای شمال به جنوب می سازد. علامت مانند  مشخص می شود.

شکل 2-2 زوایای معرفی شده را نشان می دهد.

زوایای اصلی ،  و  که با بهره گرفتن از آن ها می توان جهت تابش خورشید را محاسبه کرد به ترتیب عبارتند از:

• زاویه عرض خغرافیایی (Latitude angle) : اگر مرکز زمین را به مکان مورد نظر روی سطح زمین متصل کنیم، خط واصل با صفحه استوا زاویه ای می سازد که همان عرض جغرافیایی می باشد که در نیم کره شمالی مثبت و در نیم کره جنوبی منفی در نظر گرفته می شود.

• زاویه ساعت (Hour angle) : خط واصل مرکز زمین و مرکز خورشید و نیز خط متصل کننده مرکز زمین به مکان مورد نظر روی سطح زمین را در نظر می گیریم. زاویه ساعت عبارت است از زاویه بین تصویر این دو خط در صفحه استوا. ازنظر علامت در صبح منفی و در بعد از ظهر مثبت در نظر گرفته می شود. زاویه ساعت به دلیل چرخش زمین حول محور خود، در هر ساعت  تغییر می کند.

• زاویه میل (Declination angle) : خطی که مرکز زمین و خورشید را به هم متصل می کند، با تصویرش در صفحه استوا زاویه ای می سازد که همان زاویه میل می باشد که از رابطه زیر محاسبه می شود:

در این رابطه شماره روز میلادی است. شکل 2-3 زوایای  ،  و  را نشان می دهد.

2-3 محاسبه شدت تشعشع کل دریافتی روی یک سطح
اطلاعات مربوط به تشعشع کل خورشید روی یک سطح افقی معمولاً در دسترس می‌باشد که با بهره گرفتن از آن می توان انرژی رسیده به سطوح شیب دار را محاسبه کرد. تشعشع کل روزانه  (میانگین روزانهیا میانگین ماهیانه مقادیر روزانه) برابر با مجموع تابش مستقیم، تابش پخشی و تابش انعکاسی می‌باشد [19].

هدف اصلی از این فصل تشریح کامل صورت مسئله به همراه فرضیات لازم است. سپس به نحوة استخراج معادلات حاکم به همراه شرایط مرزی لازم به منظور حل عددی پرداخته شده است، بدین ترتیب که با بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام و با بررسی چند مدل، مدل انتخابی بکار رفته در این تحقیق ارائه می­ شود. در نهایت با معرفی پارامترهای بی‌بعد، شکل بدون بعد معادلات به همراه شرایط مرزی بدست می‌آیند.
2-2 هندسه مسئله
همانطور که قبلاً نیز اشاره شد هندسه مسئلة معیار[3] به صورت یک کانال دوبعدی به همراه پله پسرونده می‌باشد که در شکل 2-1 به خوبی نمایش داده شده است. ارتفاع پله (h) و ارتفاع کانال در پایین دست جریان (H) به ترتیب 0.038 m و 0.19 m می‌باشند، به گونه‌ای که در این مسئله نسبت انبساط[4]، (ER=H/(H-h برابر 1.25 درنظر گرفته شده است. همچنین ارتفاع پله به عنوان طول مشخصه در محاسبات در نظر گرفته می­ شود. طول کانال قبل از پله برابر با 0.076 m و بعد از پله برابر با 0.76 m درنظرگرفته شده است، که معادل  در حوزه محاسباتی است. همانطور که از شکل پیداست، مبدأ مختصات در گوشه پایینی پله قرار دارد و معمولاً بررسی رفتار حرارتی و سیالاتی جریان بعد از پله مورد نظر بوده است.

خواص هوا در مسئلة معیار جهت اعتبارسنجی در دمای ورودی  ارزیابی شده است، بطوریکه چگالی  برابر با ، ویسکوزیته مولکولی  برابر با ، گرمای ویژه  برابر با  و عدد پرانتل  برابر با  می­باشد. همچنین عدد رینولدز برابر با  بوده، که بر مبنای سرعت مرکز لوله  و ارتفاع پله بدست آمده است.
2-3 بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام
یک جریان آشفته، به واسطة ادیهای موجود در ساختار خود از یک جریان آرام تمیز داده می­ شود. ادیهای موجود در جریان آشفته باعث ایجاد نوسان[5] در میدان سرعت و دما می­شوند. شایان ذکر است که این ادیها بواسطة حرکات اتفاقی و نامنظم ذرات در یک جریان آشفته و وجود اغتشاشات که باعث یک سری جریانات جانبی در امتداد عمود بر راستای جریان اصلی می­ شود، بوجود می­آیند. اندازة ساختارهای موجود در جریان آشفته مانند ادیها، می ­تواند از مقادیر نزدیک به مقیاس مولکولی تا بزرگترین طول مقیاس­های جریان باشد.
اغتشاشات دینامیکی[6] که ذات جریان آشفته می­باشد، می ­تواند باعث اختلاط و نیز تبادل شدید مومنتوم و حرارت گردد. از همینرو جریان آشفته، جریانی به شدت اضمحلالی[7]، با ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت بالا در مقایسه با جریان آرام محسوب می­ شود. هر چه میزان اغتشاشات در مقیاس بزرگتری رخ دهد، اندازة تبادل مومنتوم و حرارت بزرگتر خواهد بود. بنابراین (با درنظرگرفتن افت فشار افزایش یافته در جریان آشفته)، در مسائل درگیر با انتقال حرارت، آشفته نمودن جریان به هر وسیله ممکن همواره مدنظر مهندسین می­باشد.
پروفیل سرعت جریان آشفته نسبت به جریان آرام، تخت­تر می­باشد، در نتیجه گرادیان سرعت در نزدیکی دیواره و تنش برشی ناشی از آن در جریان آشفته بیش از جریان آرام می­باشد. بواسطة کوپل بودن توزیع سرعت و دما با یکدیگر، افزایش گرادیان سرعت در نزدیکی دیواره باعث افزایش انتقال حرارت از دیواره نیز می­گردد.
همانطور که اشاره شد جریان آشفته شامل ادیهای پیچیده و در اندازه­ های مختلف می­باشد. برای حل کاملاً دقیق یک میدان جریان آشفته با استفادة مستقیم از معادلات بقا، بطوریکه جزئی­ترین پدیده ­ها نیز مدنظر قرارگرفته شده باشد، لازم است از شبکة محاسباتی استفاده کنیم که اندازة المانهای آن کوچکتر از کوچکترین ادیهای موجود در جریان باشد. یعنی هریک از کوچکترین ادیها به تنهایی توسط چند المان کوچکتر گسسته گردند. بدین منظور ابتدا لازم است که اندازة کوچکترین ادیها بر حسب طول مقیاس کولموگروف[8] تعیین گردند.

ای بر ذرات[1]:
ذرات معلق همیشه و در همه جا در محیط پیرامون ما وجود دارند. ذرات، ریزه‌های مواد جامد و مایع معلق در یک سیال می‌‌باشند. گرده‌های گیاهان در فضای محیط اطراف، ذرات گرد و خاک که با جریان بادها منتقل و پخش می‌‌شوند، فوران آتشفشان‌ها و پخش خاکستر در فضای اطرف، بالا رفتن دود غلیظ به اتمسفر و همچنین خیلی‌ از فعالیت‌های انسانها باعث به وجود آمدن و پخش ذرات در محیط پیرامون ما می‌‌شوند. در شکل زیر تصاویری از ذرات مختلف آورده شده است.
ذرات از نظر نوع، شکل ظاهری و اندازه به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که در ادامه توضیح مختصری در این زمینه داده می شود.

• بررسی ذرات از نظر انواع:

گرد و غبار: مواد جامدی که به واسطه‌ از هم پاشیدگی در فرایند هایی نظیر سنگ شکنی، سمباده زدن، انفجار و مته زنی‌ به وجود می‌‌آیند. این ذرات ریز تولید شده از همان مواد اولیه‌ و تفکیک شده خود هستند و از نظر اندازه در طیف زیر میکروسکوپی تا میکروسکوپی قرار می‌‌گیرند.
بخارهای شیمیایی: ذرات جامدی که حاصل واکنش شیمی‌- فیزیکی هستند که در فرایند­هایی نظیر احتراق، تصعید و یا تقطیر به وجود می‌‌آیند. به عنوان نمونه‌های معمول از این ذرات می‌‌توان به ذرات اکسید فسفر، اکسید آهن و اکسید روی اشاره کرد. ذراتی‌ که بخارات شیمیایی را تشکیل می‌‌دهند بسیار کوچک می‌‌باشند و در مقیاس‌های زیر 1 میکرومتر می‌‌باشند. این ذرات میل زیادی به اجتماع کردن و لخته شدن دارند.
دود: یک ابر از ذرات معلقی که از فرایند اکسیداسیون مانند سوختن تشکیل می‌‌شود. به طور کلی‌، دود‌ها به عنوان ذرات دارای منشأ سازماندهی شده در نظر گرفته می‌‌شوند و عموماً از ذغال سنگ، نفت، چوب و یا سوختهای فسیلی دیگر به وجود می‌‌آیند. ذرات دود در اندازه‌های زیر 1 میکرومتر  هستند.
مه‌: این ذرات حاصل از پاشش مایعات و یا میعان بخار به وجود می‌‌آیند.  این ذرات به صورت کروی در نظر گرفته می‌‌شوند و به قدری هستند که می‌‌توان آنها را به صورت معلق در یک جریان هوای آرام مشاهده کرد. هنگام به هم پیوستگی این ذرات و تشکیل ذرات بزرگتر در حدود 100 میکرومتر، می‌‌توان آنها را به شکل باران مشاهده کرد.

• بررسی ذرات از نظر شکل ظاهری:

فرض کروی بودن ذرات، یک فرض بسیار مناسب برای ساده­تر کردن محاسبات و تجسم کردن راحت­تر حرکت آن­ها می باشد.‌ به جز ذرات مایع که همیشه کروی هستند، قالب‌ها و شکل‌های بسیار متفاوتی برای شکل ذرات وجود دارد که این قالب‌ها و شکل‌ها را می‌توان به سه گروه تقسیم بندی کرد :

• ذرات هم اندازه: این ذرات دارای اندازه مساوی در هر سه بعد فضایی خود می‌‌باشند. کروی،چند وجهی، متساوی الاضلاع در این تقسیم بندی قرار می‌‌گیرند. تا کنون بیشترین تحقیقات و دانش بشری پیرامون این دسته از ذرات بوده است. شکل 1-2 نمونه ­ای از ذرات هم اندازه را نشان می­دهد.

• ذرات صفحه­ای: این ذرات دارای دو بعد بزرگ و یک بعد کوچک می‌‌باشند. برش‌های صفحه‌ای در این دسته بندی قرار می‌‌گیرند. اطلاعات بسیار محدودی پیرامون رفتار ذرات صفحه‌ای معلق در سیال موجود می‌‌باشد و اکثراً اطلاعات‌ دریافت شده از بررسی ذرات کروی را به این نوع ذرات تعمیم می‌‌دهند.

• ذرات رشته­ای: این ذرات دارای یک بعد بلند و طولانی در مقایسه با دو بعد بسیار کوچک خود هستند. برای نمونه می‌‌توان به ذرات بلوری، سوزنی و یا معدنی مانند پنبه کوهی اشاره کرد. اخیراً، با توجه به اهمیت سلامتی‌ و خطر تنفس این گونه ذرات معلق در هوا، تحقیقات تازه‌ای بر روی حرکت این گونه از ذرات در سیال شکل گرفته است ولی‌ هنوز اطلاعات مفید زیادی در این زمینه وجود ندارد.

شکل و قالب ذرات می‌تواند با توجه به روش تشکیل و یا جنس و ذات مواد مادر تشکیل دهنده ذرات تغییر کند. ذراتی‌ که به روش میعان یک بخار به وجود می‌‌آیند معمولا به شکل کروی هستند (مخصوصاً زمانی که در حین تشکیل به درون یک فاز مایع وارد شوند). ذراتی‌ که با روش‌های خرد شدن و یا مته زنی‌ به وجود می‌‌آیند به ندرت به شکل کروی می‌‌باشند مگر اینکه در حال تشکیل ذرات، فاز مایع نیز تشکیل شود و حباب‌های بوجود آماده کروی در نظر گرفته می‌‌شود.

• بررسی ذرات از نظر اندازه:

ذرات معلق عموماً کروی و یا شبه کروی در نظر گرفته می‌‌شوند. شعاع ذره و هم قطر ذره می‌‌تواند برای بیان اندازه ذره بکار برده شود. در بحث‌های تئوریک خواص ذرات، به کار بردن شعاع بسیار معمول می‌‌باشد هر چند که در بیشتر نمونه‌های کاربردی قطر ذره را به عنوان بیانگر اندازه استفاده می‌‌کنند. در این تحقیق از قطر ذره برای بیان اندازه استفاده شده است.
پس از انتخاب قطر به عنوان مبنای دسته بندی ذرات، روش‌های گوناگونی برای محاسبه قطر یک ذره وجود دارد که دو روش از عمومیت بیشتری برخوردار می‌‌باشند: قطر فرت[2] و قطر مارتین[3]. این دو روش اشاره به ارزیابی تقریب­های بکار برده شده برای تعیین اندازه ذره از مشاهده تصاویر طرح ریزی شده تعدادی از ذرات غیر معمول دارد.
        قطر فرت: بیشترین فاصله یک لبه تا لبه دیگر در یک ذره.
        قطر مارتین: طول خطی‌ است که هر ذره را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌‌کند.
از آنجا که این نوع اندازه گیری‌ها به جهت گیری ذرات وابسته و متغیراست (به علت سه بعدی بودن ذرات)، باید در جهات مختلف اندازه گیری و مقایسه شوند تا قابل قبول واقع شود. بنابراین با فرض جهت یابی‌ تصادفی ذرات، قطر میانگین محاسبه می‌‌شود. این مشکلات اندازه گیری را می­توان  با روش‌های دیگری بر طرف کرد که در ادامه به توضیح آن­ها پرداخته می شود.
قطر معادل مساحت: قطر یک دایره است که مساحت آن معادل با مساحت تصویر شده ذره می‌‌باشد.
شکل زیر تفاوت‌های محاسبه  سه قطر مختلف را نشان میدهد.

همانگونه که در شکل 1-4 مشاهده می‌‌شود قطر فرت از قطر مساحت تصویر شده بزرگتر و قطر تصویر شده بزرگتر از قطر مارتین می‌‌باشد.
بعضی‌ مواقع قطر ذرات معلق را با بهره گرفتن از سرعت حد[4] آنها تقریب می‌زنند. همه ذراتی‌ که یک سرعت حد برابر دارند، بدون در نظر گرفتن جنس، شکل و … یک اندازه در نظر گرفته می‌‌شوند. لازم به ذکر است زمانی یک ذره به سرعت حد می رسد که از حالت سکون شروع به حرکت کرده و بعد از گذشت زمانی طولانی تحت تأثیر نیروی گرانش و چگالی خودش در آستانه ته نشین شدن قرار دارد.
دو روش معمول از این گونه اندازه گیری‌ها می‌توان به قطر آیردینامیکی[5] و استوکس[6] اشاره کرد:
قطر آیرودینامیکی: قطر یک کره بزرگ به چگالی واحد ( ) که دارای خواص آیرودینامیکی همان ذره می‌باشد که به این معناست اگر ذرات با هر شکل و چگالی دارای سرعت ته نشینی برابری باشند، قطر آیرودینامیکی برابری دارند.
قطر استوکس: قطر یک کره که دارای چگالی و سرعت ته نشینی برابر با یک ذره می‌‌باشد. تنها تفاوت قطر استوکس نسبت به قطر آیرودینامیکی، وجود شرط برابری چگالی ذره و کره در قطر استوکس می‌‌باشد.
قطر ذراتی‌ که در بحث علم ذرات مورد بررسی قرار می‌‌گیرند در محدوده 01/0 تا 100 میکرومتر بوده که 01/0 میکرومتر به عنوان حد پایین قطر ذره و 100 میکرومتر به عنوان حد بالای آن در نظر گرفته می‌‌شود. حد پایین قطر ذره حدوداً نقطه‌ای است که انتقال ممنتم از مولکول به ذره در نظر گرفته می‌‌شود. ذرات بزرگتر از 100 میکرومتر به علت تأثیر زیاد نیروی گرانش، به سرعت ته­نشین شده و به مقدار زمان مناسب (کمتر از دقت دستگاه­های اندازه ­گیری) در سیال معلق نمی‌‌مانند که مورد علاقه بررسی در علم ذرات باشد.
ذرات با قطر­های خیلی‌ بزرگتر از ۵ تا ۱۰ میکرمتر می‌‌توانند از طریق سیستم‌های تنفسی فیلتر شوند ولی ذراتی با قطر کوچکتر از 5 میکرومتر می­توانند تا اعماق ریه نفوذ کنند. بنابراین برای مباحث فیزیولوژی قطر‌های ۵ تا ۱۰ میکرومتری حد بالایی محسوب می‌‌شوند. در جدول زیر قطر بعضی‌ از ذرات پرکاربرد مشاهده می‌‌شود.
جدول1-1 : اندازه قطر ذرات پرکاربرد برحسب میکرومتر [3]

 1-2 بر کارهای انجام شده
آنالیز انتقال و ته­نشینی ذرات معلق در هوا در دو دهه اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. پخش و ته­ نشینی ذرات در بسیاری از فرایندهای صنعتی و پدیده­های طبیعی نقش مهمی را ایفا می­ کند. فرایندهای جداسازی و فیلتر کردن، احتراق، آلودگی هوا و آب، دستگاه­های کپی، ته نشینی در شش­ها و آلودگی میکروذرات در صنایع ساخت ریز تراشه­ها از جمله موارد کاربرد این پدیده ­ها می­باشد. با کوچکتر شدن اندازه ذرات و رسیدن به محدوده نانومتر، ته نشینی ذرات ریز علت اصلی عیب و نقص­ها در صنایع میکروالکترونیک می­ شود.
مطالعات محاسباتی و آزمایشگاهی گسترده ای نسبت به پخش ذرات در جریان های مغشوش در مقالات مختلف گزارش شده است (هاینزه [6]، هایندز [7]، وود [8]، پاپاورجوس و هدلی [9]، احمدی [10]). برای مدل کردن نحوه پخش ذرات، استفاده از یک روش دقیق و مناسب بسیار ضروری است. به همین منظور روش های عددی مختلفی برای هر چه بهتر مدل کردن میدان جریان بوجود آمدند که آن ها را به صورت زیر می توان دسته بندی کرد: شبیه سازی مستقیم عددی[7]، شبیه سازی گردابه های بزرگ[8]، روش معادلات ناویر- استوکس رینولدز متوسط[9] .
بررسی انتشار ذرات در کانال جریان مغشوش با بهره گرفتن از روش DNS توسط مک لافین [11]، اونیس و همکاران انجام گرفت. ژانگ و احمدی [14] ته نشینی ذرات هوا را در کانال های عمودی و افقی در جریان مغشوش با بهره گرفتن از روش DNS مطالعه کردند. همچنین لی و احمدی [15] از آنالیز DNS برای شبیه سازی میدان جریان و نوسانات آشفته عمودی نزدیک دیوار استفاده کردند. آن ها پخش و ته نشینی ذرات کروی را از چشمه های نقطه ای در یک کانال جریان مغشوش بررسی کردند. روش DNS بیشترین توانایی را برای نمایش ویژگی های اغتشاش تا حد کوچکترین مقیاس کلموگروف[10] میسر می سازد اما هزینه زیاد محاسبات، این روش را برای رینولدزهای بزرگ و هندسه های پیچیده غیرقابل اجرا می کند.
در روش LES گردابه های بزرگ به صورت مستقیم شبیه سازی می شوند درحالی که گردابه های کوچکتر از مقیاس شبکه، مدل می شوند. کمتر بودن هزینه محاسبات، مزیت اصلی روش LES نسبت به DNS می باشد. هرچند که مشکلات مربوط به روش DNS را نیز در رینولدز های بزرگ دارا می باشد. وانگ و اسکویرس [16]، وانس و اسکویرس [17] روش LES را در کانال جریان مغشوش به کار بردند. یویجتوال و اولیمانس [18] مطالعه ته نشینی و انتشار ذرات در جریان های لوله عمودی توسط دو روش DNS و LES را انجام دادند. اخیراً سلمان زاده و همکاران [19] اثر نوسانات آشفته مقیاس های زیر شبکه را در روش LES بر روی حرکت ذرات مطالعه کرده اند. آن ها نشان دادند که اضافه کردن نوسانات آشفته مقیاس های زیرشبکه، پیش بینی های مدل LES را برای نرخ ته نشینی ذرات بویژه ذرات کوچک بهبود می بخشد. اگرچه محدودیت های DNS و LES، استفاده از این روش ها را برای هندسه های پیچیده صنعتی غیرممکن می کند اما پتانسیل لازم برای افزایش مؤثر الگوریتم و حل  هندسه های مختلف را دارند.
برای جریان هایی با رینولدز بزرگ در هندسه های پیچیده روش RANS بیشترین کاربرد را داراست. در بسیاری از کاربردهای صنعتی از این روش به دلیل سادگی نسبی و بازده محاسباتی بالای آن استفاده می شود. لی و احمدی [20] یک مدل اغتشاش ایزوتروپیک   k-ε را در جریان کانال نمایش دادند. در این مطالعه نوسانات لحظه ای توسط میدان تصادفی گوسی مدل و به جریان متوسط اضافه شد. هی و احمدی [21] از مدل آشفته RSM با تابع استاندارد دیوار[11] برای بررسی ته نشینی ذرات در کانال های افقی و عمودی استفاده کردند. تیان و احمدی [22] مدل نزدیک دیواره را با یک مدل تنش رینولدز[12] برای پیش بینی ته نشینی ذره در کانال های جریان به کار بردند. اخیراً ژانگ و چن [23] برای شبیه سازی میدان جریان از مدل  استفاده کردند و از نوسانات سرعت عمودی نزدیک دیوار برای اصلاح کردن مدل ایزوترپیک [13]DRW کمک گرفتند.
همانطور که می­دانیم جریانات آشفته به واسطه حضور ادی­ها در ساختار خود، دارای نوسانات وابسته به مکان و زمان در میدان جریان می­باشند. با توجه به طیف وسیع اندازه ادی­ها در یک جریان آشفته، نوسانات میدان سرعت می ­تواند از چند درصد مقدار سرعت متوسط تا صد درصد مقدار سرعت متوسط در هر دو سوی مثبت و منفی ایجاد شوند. با توجه به اینکه بیشترین تولید و اتلاف انرژی در یک کانال جریان مغشوش در نزدیکی دیواره اتفاق می­افتد، ریشه میانگین مربعات[14] نوسانات ( ) در نزدیکی دیوار تفاوت زیادی دارد و جریان شدیداً غیر ایزوتروپیک است. با دور شدن از ناحیه نزدیک دیواره و رسیدن به لایه ­های پرانرژی بالاتر، این مقادیر تقریباً با هم برابر می­شوند و در این ناحیه اغتشاش ایزوتروپیک خواهد شد. اثرات غیرایزوتزوپیک در جریانات پیچیده و مشکل، نظیر جریانات چرخشی و جریانات دارای نیروی حجمی مانند جا به ­جایی آزاد به چشم می­خورد.
با توجه به مطالب گفته شده، مدل­های محاسباتی متفاوتی برای شبیه سازی سرعت­های لحظه­ای در یک کانال جریان مغشوش مورد مطالعه قرار گرفته است. این نوع شبیه سازی توسط مدل­های آشفته ایزوتروپیک و غیرایزوتروپیک صورت می­گیرد. چون شدت اغتشاشات موجود در جریان مغشوش بخصوص در نزدیک دیواره مطمئناً در تغییر مسیر حرکت ذرات مؤثر خواهد بود واضح است که استفاده از یک مدل آشفته غیرایزوتروپیک مناسب برای تخمین صحیح نوسانات نزدیک دیوار در یک میدان جریان مغشوش و پیش بینی دقیقتر حرکت ذرات از اهمیت بسیاری برخوردار است و سبب می­ شود که نتایج به واقعیت نزدیکتر شوند.
در این پژوهش برای مدل کردن تنش های رینولدز در حل معادلات RANS جهت یافتن سرعت متوسط جریان از مدل اغتشاش  که توسط لین و دوربین [24] پایه گذاری شد استفاده می شود. بزرگترین مزیت این روش که آن را از بقیه روش ها مجزا می کند پیش بینی بسیار دقیق نوسانات آشفته غیرایزوتروپیک نزدیک دیوار است. مدل های ایزوتروپیک استانداردی که انرژی جنبشی اغتشاش را محاسبه می کنند قادر به نمایش دقیق تغییرات نوسانات عمودی نزدیک دیوار نیستند و در بهترین حالت این نوسانات عمودی را به صورت مصنوعی و ایزوتروپیک تولید می کنند. پس به این دلیل که مدل اغتشاش  قادر به محاسبه K (انرژی جنبشی اغتشاش) و  (شدت نوسانات عمودی نزدیک دیوار) است برای محاسبه میدان جریان متوسط و شدت اغتشاشات غیرایزوتروپیک از این مدل استفاده می شود. همچنین برای تولید پیوسته اعداد تصادفی و شبیه سازی نوسانات سرعت غیرایزوتروپیک در جریان کانال از سری کرایچنان [25] که قادر به شبیه سازی دقیق میدان جریان آشفته درون کانال است، استفاده خواهد شد. لازم به توضیح است که وی این سری را براساس اطلاعات یک جریان مغشوش درون کانال بوجود آورده است.
با توجه به اهمیت نیروی جاذبه بر پخش ذرات، اثر این نیرو بر ته نشینی ذرات در دو حالت کانال افقی با نیروی گرانش عمود بر جریان و کانال عمودی با نیروی گرانش در جهت جریان بررسی شده است و این دو حالت باهم مقایسه شده اند.
جریان جابجایی اجباری در یک کانال که حاوی ذرات جامد است به صورت گسترده‌ای در مسائل مهندسی‌ کاربرد دارد. تصفیه هوا، نمونه برداری ذرات، فیلتر کردن گازهای داغ، احتراق و سوختن ذغال سنگ، ته نشینی بخارهای شیمیایی و جریان بر روی تیغه­های توربین­های گازی،  نمونه‌های محدودی از این کاربرد می‌‌باشند.

ای بر علم لیزر

با اختراع لیزر در نیمه دوم قرن بیستم دریچه جدیدی به روی دانشمندان فیزیک اتمی ومولکولی باز شد. بعلاوه این فناوری و کاربردهای ان مورد توجه بسیاری از مهندسین در دنیا قرار گرفته است. تئوری های لازم جهت در ک مفاهیم های فیزیک لیزر قبل از اختراع لیزر درسال 1960 ارائه گردیده بود از ان زمان لیزر با سرعت به طور وسیعی در زمینه کاربرد های جالب فیزیک کوانتومی تا به عنوان یک ابزار مفید مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است[59, 60].
پژوهش های کاربردی بسیار جدیدی در زمینه های بر هم کنش لیزر با پلاسما طراحی لیزر های با پالسهای بسیار کوتاه و توان های بسیار زیاد و ساخت لیزرهای با طول موج کوتاه به خصوص در دو دهه گذشته توسط فیزیکدانان و محققین سراسر دنیا صورت گرفته است در این پژوهش ها تلاش های زیادی به منظور کوچک نمودن حجم سیستم های لیزری مورد نیاز جهت تولید پلاسما و تابش های X-Ray به عمل امده است بیشتر این سیستم های جدید در حال حاضر در ازمایشگاه های ملی کشور ها مورد استفاده قرار می گیرند که اینده روشنی را نوید می دهند. در این فصل همانگونه که مشاهده خواهید کرد در ابتدا به اصول مبانی و طرز کار لیزر پرداخته شده است. در ادامه انواع لیزر مورد بررسی قرار گرفته است و در پایان کاربرد لیزر در صنایع مختلف شرح داده شده است[57, 62, 84].

• ماهیت نور

واژه لیزر به معنای تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش می باشد. بنابراین پی بردن به چگونگی عمل لیزر ویژگی های تابش لیزرها و کاربردهایش منوط به اگاهی بیشتر از نظریه های حاضر در مورد ماهیت نور است [68, 74, 83]. انیشتین در سال 1905 به سادگی اثر فوتوالکتریک را توضیح دادبدین ترتیب که نور برخورد کننده به سطح فلز را متشکل از بسته های کوچک انرژی با ذراتی به نام فوتون نامید. او گفت انرژی هر متناسب است با فرکانس آن یعنی E = H.N که H ثابت پلانک و N فرکانس نور است. فوتون برخورد کننده می تواند انرژی خود را به یک الکترون بدهد و به طوری که بر نیروی نگهدارنده ان در سطح فلز غلبه کرده و ان را از فلز جدا سازد[80].

• گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب

در لیزر از سه پدیده اساسی که نتیجه بر هم کنش موج الکترومغناطیس ( EM ) با ماده اند استفاده می شود یعنی فرایند های گسیل خود به خود گسیل القایی و جذب[79, 81].

• گسیل خود به خود

در یک اتم مفروض دو تراز 1و2 با انرژی های E1 و E2 را در نظر گرفته می شود (  E2 < E1) در بحث فعلی این این دو تراز ممکن است دو تراز منتخب از ترازهای بیشمار ان اتم باشد اکنون فرض می کنیم که اتمی (یا مولکولی) از ماده ابتدا در تراز 2 باشد از انجا که E2 < E1 اتم به فرو افتادن به تراز 1 گرایش پیدا می کند. بنابراین اختلاف انرژی  E2 = E1باید ازاد شود وقتی این اختلاف انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی گسیل شود به ان گسیل خود به خود یا تابشی می گویند[62, 69, 78] .

انرژی داخلیE:
فرکانس (بسامد) موج: N
بنابراین گسیل خود به خود با گسیل فوتونی به انرژی  وقتی که اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو می افتد مسخص می شود.

• گسیل القایی

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز دو قرار گرفته باشد و موجی الکترومغناطیسی با فرکانس N که از رابطه (5-2) به دست می اید (یعنی فرکانس موج فرودی برابر با فرکانس گسیل خود به خود است). نظر به اینکه این موج دارای همان فرکانس اتمی است احتمال معینی وجود دارد که این موج اتم را به گذار  وا دارد. در این مورد اختلاف انرژی  ازاد شده به صور موج الکترومغناطیسی به موج فرودی افزوده می شود این پدیده گسیل القایی است. در مورد گسیل القایی چون این فرایند با اعمال موج الکترومغناطیسی فرودی صورت می گیرد گسیل هر اتم به صورت هم فاز به موج فرودی افزوده می شود. علاوه بر این موج فرودی هم موج گسیل شده را تعیین می کند[61, 64, 67].
لیزرهای حرارتی متعددی در صنعت حفاری معادن و مخازن نفتی مورد استفاده قرار گرفته اند. این لیزرها دارای ویژگی توان اعمالی بسیار بالا به نمونه های مواد روبروی خویش دارند. تمامی لیزرهای پرتوان استفاده شده تا کنون در عرصه حفاری مخازن نفت و گاز به شرح ذیل می باشند[63].

• جذب

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز 1 قرار گرفته باشد اگر این تراز تراز پایه باشد اتم در این تراز باقی خواهد ماند مگر انکه نیرویی خارجی به ان اعمال شود اکنون فرض می کنیم که موجی الکترومغناطیسی با فرکانسN  که باز هم از رابطه (1.1) به دست می اید به ماده برخورد کند در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز 2 برود. اختلاف انرژی مورد احتیاج اتم برای این گذار از انرژی موج الکترومغناطیسی فرودی تامیین می شود. [65]

• انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری

لیزر هیدروژنی
لیزر هیدروژن فلوراید ویا لیزر دوتریم فلوراید  که عملکرد آنها در طول موج بین l=2/6-  mM 4/2 می باشد. این لیزر اولین لیزر در کلاس مگاوات بود و لیزری با موج پیوسته  کهدر خارج از شوری ساخته شده بود. از این لیزر برای تاسیسات  و کارهای نظامی استفاده می شود که ازآن در حفاری مورد استفاده قرار می گرفت که در این عملیاتپرتو های  تابنده شده نشان داد که سرعت حفاری یا سرعت نفوذ لیزر در سنگ بیشتر از 100برابر سرعت حفاری با روش های معمولی  حفاری می باشد[71] .
شکل 1. 2 . لیزر هیدروژن فلوراید[71]
  لیزر اکسیژنی
این تحقیق و پژوهش در سال 1977 توسط نیروی هوایی ایالت متحده امریکا در آزمایشگاه مکزیکو اختراع و انجام گردید .از این لیزر برای مقابله و دفاع هواپیماها در نبردهای هوایی طراحی شد چنانکه زا آن به عنوان لیزر هوابرد که قابلیت ردیابی سلاح های تاکتیکی و نابود کنندگی موشک را داشت یاد می کند . این لیزر در طول موج     mM  l=1/315عملکرد دارد. این لیزر در حالت CW یادر حالت موج پیوسته کار می کند که در ابتدا فقط برای کارهای نظامی به کار برده می شد ولی بعد از مدتی برای مصارف صنعتی  نیز اجازه استفاده داده شد. محدوده قدرت  این لیزر در حدود 31 مایل یا 50 کیلومتر  می باشد که ازآن در بوئینگ 474 برای ردیابی از آن استفادهشد. در صورتی که از آن برای حفاری استفاده شود بسیاری از مسائل  کنترل و  ردیابی  و تکمیل مجدد و مشکلات حفاری را نخواهیم  داشت[70].
  لیزر کربن دی اکسید   
این لیزر عملکرد آن در طول موج l=10/6mM ودر حالت های پیوسته و پالسی می تواند باشد. قدرت متوسط آن تا بالای  1مگاوات می تواند باشد . هنگامی که در حالت پالسی استفاده  شود طول پالس می تواند تغییر کند و دائما متفاوت  باشد یعنی بین 1تا 30ثانیه مزیت مهم لیزر  در دوام و قابلیت اطمینان  آن است. می تواند انرژی خود را به صورت  مادون قرمز با توان ارسال  بیشتر منتشر کند. یکی از مشکلات آن می توان به دلیل طول موج بالای این لیزر اشاره کرد که در انتقال آن از طریق فیبر نوری قدرت  آن به شدت کم خواهد شد.
شکل 2. 2 . لیزر کربن دی اکسید[69]
لیزر کربن مونو اکسید
عملکرد آن  در طول موج    mM 6-5  =   l می باشد ودر هردو حالت پیوسته و پالسی می تواند  از خود عملکرد نشان دهد . متوسط قدرت دست یافتنی 200 کیلو وات و طول پالس می تواند متفاوت بین 1و 1000 ثانیه  باشد . اولین عملکرد  آن  در دو حالت پیوسته و پالسی در طول موج  l=2/5-4/0mM بوده است. بدست آوردن کمترین طول موج درهنگام کار بسیار مهم است چون تاثیر توزیع سطح به وسیله پلاسمای لیزر و طول موج تسعسع لیزر کاهش خواهد یافت[73].
شکل 3. 2 .  لیزر کربن مونو اکسید[73]
لیزر الکترون آزاد
لیزر الکترون آزاد عملکرد آن با الکترون هایی با انرژی بالا است که فاقد سطوح انرژی گسسته نیز باشند که در نتیجه آن اجازه می دهد در هر طول موجی در حاتموج پیوسته تنظیم شود که توانایی طول موج تابش لیزر می تواند اجازه بهبود سازی برای تاثیرات مختلفی همچون بازتاب – پراکندگی –جذب – تابش جسم سیاه و گزینش پلاسما را بدهد .دانشمندان انتظار دارند که این لیزر در آینده به لیزر با قدرت تبدیل شود[68].

جنبش­های شكل­گرفته در ایران پس از اسلام با انگیزه­ها و اهداف مختلفی پدید آمده­اند. رهبران برخی از این جنبش­ها كه علاقه­ای به دین اسلام نداشتند، درصدد بودند تا ادیان، عقاید و اندیشه­ های كهن ایرانی را دوباره در ایران رواج دهند. در واقع، با غلبة اسلام بر ایران، اگر چه عدة زیادی از ایرانیان دین اسلام را پذیرفتند و از عقاید كهن خود دست كشیدند، اما بودند كسانی كه اعتقادات كهن خود را از دست نداده و منتظر فرصتی برای ترویج مجدد آن­ها بودند. این افراد كه هر كدام عقاید و دعاوی خاص خود را داشتند، برای رسیدن به اهداف خود، بر ضد دستگاه خلافت اسلامی شوریدند و در مدت كمی موفق ­­شدند افراد زیادی را به جنبش خود جذب كنند. آنان پس از جذب گروه زیادی از مردم، اندیشه­ های ایرانی مدّنظر خود را تبلیغ ­نموده و افكار و اذهان مردم را به شدت تحت تأثیر قرار ­دادند. جنبش­های دینی مختلفی كه توسط این افراد پایه­گذاری شد، با وجود پذیرش دسته­ای از اعتقادات اسلامی، محل تجلی و تبلور برخی از عقاید و باورهای ایران باستان بودند.
از میان جنبش­های دینی مختلفی كه در قرون اولیة اسلامی رخ داد، ما در این جستار برآنیم تا جنبش­هایی را بررسی كنیم كه نه تنها اندیشه­ های ایرانی در آن­ها وجود داشته باشد، بلكه خاستگاه آن­ها ایران بوده و در دو قرن اول هجری رخ داده باشند. با این توصیف، فرقی چون میمونیه – از خوارج – و منصوریه – از فرق غلات – كه اعتقاداتی همچون ازدواج با محارم در بین آن­ها به چشم می­خورد،[1] چون خارج از مرزهای ایران شكل گرفتند و خاستگاه اولیة آن­ها در ایران نبوده، مورد بررسی قرار نمی­گیرند و شورش افرادی چون ابوعیسی اصفهانی،[2] شُرَیْك­بن­شیخ مهری[3] و یوسف البرم[4] نیز با اینكه شورش­هایی دینی بوده و در ایران شكل گرفته­اند، اما چون اندیشه­ های ایرانی در عقاید آنان وجود ندارد، بررسی نخواهند شد.[5] از این­رو، در پژوهش حاضر جنبش­های سیاه­جامگان، به­آفرید، سنباد، اسحاق­ترك، استادسیس، راوندیه، سفیدجامگان و خرّمدینان، كه جنبش­هایی التقاطی بودند و تا حدی می­توان گفت بر پایه­ آمیختگی اندیشه­ های ایرانی و اسلامی شکل گرفتند، مورد نظر خواهند بود.

سؤالاتی كه در این پژوهش درصدد پاسخگویی به آن­ها هستیم، عبارتند از: آیا میان جنبش­های دینی شكل­گرفته در دوران اولیة ایران و اندیشه­ های موجود در ایران پیش از اسلام ارتباطی وجود دارد؟ میزان تأثیرپذیری این جنبش­ها از اندیشه­ های ایران پیش از اسلام تا چه حد بوده است؟ کدام یک از ادیان ایرانی بیشترین تأثیر را بر این جنبش­ها گذاشته­اند؟

بر این اساس پایان­نامة حاضر به چهار فصل تقسیم شده است:

در كلیات به ارائه­ گزارشی کلی درباره باورها و عقاید ایران باستان در ادوار مختلف تاریخی و بررسی وضعیت ادیان مختلف در ایران پس از

 اسلام پرداخته و سپس جنبش­های دینی موردنظر در ایران پس از اسلام معرفی شده ­اند.

در فصل اول به معرفی جنبش­ سیاه­جامگان و جنبش­های به­آفرید، سنباد، اسحاق ترك و استادسیس پرداخته شد و سیر تاریخی و عقیدتی هر یک از آن­ها به تصویر کشیده ­شد. در نهایت اندیشه­ های ایرانی موجود در آن­ها مورد بررسی قرار گرفته است.

محتوای فصل دوم، جنبش راوندیه است که پس از بررسی سیر تاریخی و عقیدتی آن، اندیشه­ های ایرانی موجود در آن معرفی شده است.

در فصل سوم و چهارم به ترتیب جنبش سفیدجامگان و خرمدینان، تاریخ و عقاید آن­ها را مورد كنكاش قرار دادیم و در پایان با معرفی افکار و اندیشه­ های ایرانی مطرح در این جنبش­ها، به بررسی میزان تأثیرپذیری آن­ها از اندیشه­ های ایرانی پرداخته­ایم.

بخش آخر این پایان نامه نیز مشتمل بر نتیجه و کتابنامه­ است که دربردارندة منابع مورد استفاده در این تحقیق است.

در مورد تاریخ جنبش­های مذکور پژوهش­های مختلفی صورت گرفته است. بهترین این پژوهش­ها را صدّیقی در كتاب جنبش­های دینی ایرانی در قرن­های دوم و سوم هجری به انجام رسانده است. وی در این كتاب ضمن بررسی تاریخ هر كدام از این جنبش­ها، به عقاید دینی آن­ها نیز اشاره می­نماید. در كنار این اثر كه جامع­ترین اثر در این زمینه محسوب می­ شود، محققان دیگری چون مهرداد بهار در ادیان آسیایی؛ ادوارد براون در تاریخ ادبی ایران؛ زرین­كوب در سه اثر خود به نام­های دو قرن سكوت، روزگاران ایران و تاریخ ایران بعد از اسلام؛ ذبیح­الله صفا در تاریخ ادبیات ایران؛ سعید نفیسی در بابك خرّمدین؛ غلامحسین یوسفی در ابومسلم سردار خراسان؛ رضا رضازادة لنگرودی در جنبش­های اجتماعی در ایران پس از اسلام؛ احسان یارشاطر در مقاله­ای به نام دین مزدكی و… بدین موضوع پرداخته­اند.

ویژگی مشترك اغلب این آثار تكیة آن­ها بر جنبة تاریخی این جنبش­هاست و آثاری كه عقاید آن­ها را مورد توجه قرار داده­اند، به شرحی كلی در مورد عقاید ایشان اكتفا كرده­اند. برای نمونه، مهرداد بهار عقاید موجود در بین خرمدینان را برمی­شمارد و آن­ها را مزدكی می­داند. صدّیقی نیز به وجود اندیشه­ های مزدكی به ویژه در بین خرمدینان اشاره می­كند، اما اغلب اندیشه­ های رایج در بین این جنبش­ها را متأثر از محیط اجتماعی و برگرفته از اندیشه­ های غلات می­داند. ادوارد براون[6] نیز وجود اندیشه­ های غیر اسلامی و برگرفته از غلات را در بین ایشان تأیید می­كند.

از بین آثاری كه به عقاید این جنبش­ها پرداخته­اند حسن ابراهیم حسن، فاروق عمر و براون به نقل از دوزی،[7] عقیدة راوندیان به الوهیت خلفا را متأثر از اندیشه­ های ایرانی می­دانند و ویدن گرن[8] به تأثیر اندیشه­ های ایرانی و هندوایرانی در برخی از اعمال مقنع اشاره می­كند. ریچارد فرای[9] نیز در كتاب عصر زرین فرهنگ ایران به وجود عقاید كهن ایرانی در بین سفیدجامگان  اذعان كرده، اما این اندیشه­ها را نام نبرده است. وی همچنین در كنار ایران­شناسانی چون اشپولر[10] و دوشن گیمن[11] برخی از اعتقادات خرمدینان را زردشتی می­داند.

هر چند این محققان به وجود این شباهت­ها اشاره كرده­اند، اما این اشارات گاهی بسیار مختصر و گاهی بسیار پراكنده بوده است. در این پژوهش علاوه بر این كه اشارات این بزرگان با توضیح و شرح بیشتری بیان شده است، موارد دیگری نیز مورد کنکاش و بررسی قرار گرفته است.

علاوه بر این، ضمن بررسی عقاید این جنبش­ها، با نكته­های جدیدی برخوردیم كه پیش از این هیچ محققی به آن­ها دست نیافته بود. با توجه با اینکه در این زمینه به طور جامع و کامل اثری به رشته تحریر درنیامده است، اثر حاضر به دلیل پرداختن به این موضوع، اثری نو و جدید می­باشد.

شایان ذكر است كه این تحقیق با سختی­هایی مواجه بود. شناخت اندیشه­ های ایرانی موجود در این جنبش­ها جز با مراجعه به كتب متعدد تاریخی امكان­پذیر نبود. منابع تاریخی فقط به ذكر عقاید آن­ها به صورت كاملاً موجز اكتفا كرده­اند و توضیحی در مورد چگونگی آن­ها نداده­اند. در واقع، اگرچه گاهی در منابع به طور ضمنی به منشأ این عقاید اشاره شده بود، اما در اكثر موارد، سكوت منابع ما را در تشخیص ریشة واقعی این اندیشه­ها با مشكل مواجه می­كرد. گاهی اندیشه­ های ایرانی مشخص بودند، اما درك اینكه این اندیشه­ها از كدامیک از ادیان ایرانی برگرفته شده ­اند، مشكل می­نمود و برای شناخت ریشة واقعی آن­ها به مطالعات زیادی نیاز بود