1-1- پیشگفتار
دو مشكل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی كه بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشكیل می‌دهند وجود دارد. مشكل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌كه در آینده‌ای نزدیك این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی كه كمپانی‌های نفتی ارائه كرده‌اند، بین سالهای 2015 تا 2030 میزان مصرف نفت خام، گاز‌طبیعی و سوخت‌های فسیلی به بیشترین مقدار خود می‌رسند و از آن پس منابع فسیلی با كاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.
مشكل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشكل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن كلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در كره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق كشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشكل آلایندگی و آلودگی محیط زیست كه شرایط زندگی را نابسامان خواهد كرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشكل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بكار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش كردند.
هیدروژن یك انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاك با راندمان خروجی بالا، سبك و در دسترس است. یكی از خصوصیات ویژه آن، نوع كاربرد آن در فرآیند‌های الكترو‌شیمی است كه می‌تواند در صورت كاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الكتریكی تولید كند كه در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بكارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.
2-1- پیل سوختی چیست؟
پیل سـوختی تبدیل كننده انرژی الكترو‌شـیمی است كه انرژی شیـمیایی را به انرژی الكتریسـیته
(جریان مستقیم برق) تبدیل می‌كند. در حالت كلی یك فرآیند تولید الكتریسیته از سوخت، شامل چندین گام تبدیل انرژی است كه این گام‌ها عبارتند از:
(1) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبدیل آن به حرارت
(2) ایجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده
(3) بكار گیری بخار آب ایجادی در توربین جهت تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مكانیكی
(4) بكار گیری انرژی مكانیكی در ژنراتور و تولید جریان الكتریسیته
یك پیل سوختی تمام مراحل فوق را جهت تولید جریان الكتریسیته در یك گام خلاصه می‌كند علاوه بر اینكه هیچ نیازی به قسمت‌های متحرك ندارد. (شكل 1-1) چگونگی ایجاد جریان الكتریسیته توسط پیل سوختی را در یك گام نشان می‌دهد.

یك پیل سوختی از برخی جنبه‌ها شبیه به یك باتری است چون شامل الكترولیت و قطب‌های مثبت و منفی است و از واكنشهای الكتروشیمی، جریان الكتریسیته DC تولید می‌كند ولی برخلاف یك باتری نیازمند سوخت و اكسیژن مداوم است، همچنین الكترودهای پیل سوختی برخلاف یك باتری دستخوش تغییرات شیمیایی قرار نمی‌گیرند.
باتری‌ها به واسطه واكنشهای شیمیایی و با استفاده از موادی كه از قبل درون آن‌ها قرار گرفته است، جریان الكتریسیته تولید می‌كنند و به همین دلیل یك باتری در صورت مصرف مواد داخل آن تخلیه می شود كه در این صورت نیازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اینكه قابلیت شارژ مجدد را داشته باشد ولی یك پیل سوختی مادامی كه اكسیژن و سوخت به آن تزریق شود، امكان تخلیه ندارد و می‌تواند در دراز مدت كار كند. اكسیژن و هیدروژن كه از مواد مورد نیاز پیل سوختی است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت تركیبی یافت می‌شود، مثلاٌ  هیدروژن ممكن است در تركیب با گازهایی همچون ، ، Co و … موجود باشد و یا در هیدروكربنات‌هایی مثل گاز طبیعی یا حتی هیدروكربنات مایع مثل متانول وجود داشته باشد، همچنین هوای محیط هم به اندازه كافی حاوی اكسیژن مورد نیاز پیل سوختی می‌باشد. از سوی مقابل باتری هم مزیت‌هایی نسبت به پیل سوختی دارد كه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
– عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتری ]حرارت ایجادی در باتری بسیار كمتر از پیل سوختی است[
– عدم نیاز به مدیریت سیستم در باتری
– عدم نیاز به تجهیزات زیاد و هزینه‌های جانبی سنگین
3-1- بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری
در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد  :
بهینه سازی پارامترهای فرآیندی یا پارامتر های عملکردی
بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل
1-3-1- بهینه سازی پارامترهای فرآیندی
بهینه سازی در پارامترهای متغیر شامل پارامترهایی از قبیل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبیت ، غلظت یا مولاریته سوخت ، سینتیک واکنش و ….. که از میان این پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غیر قابل کنترل اند و یا به عبارت صحیح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزینه زیادی در بر داشته طوری که از کنترل آنان صرف نظر شده و به مهار کردن پارامترهای در دســترس­تر پرداخته شده است. در مقالات معمولا به بررسی چهار پارامتر از تمامی پارامترهای ممکن پرداخته شــده است که این چهار پارامتر عبارتند از :
دمای کارکرد پیل سوختی که معمولا بین 60 تا 80 درجه سانتی گراد متغیراست
درصد رطوبت پیل سوختی
میزان مصرف اکسیژن در کاتد به مصرف هیدروژن در آند
فشار سیستم در سمت آند
فشار سیستم در سمت کاتد
2-3-1- بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل
پیل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هایی در جهت افزایش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :
– نوع کانال جریان آند (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ)
– لایه پخش گازی آند (جنس ، میزان فشردگی)
– مواد و ضخامت لایه کاتالیست آند و کاتد
– لایه پخش گازی کاتد (جنس ، میزان فشردگی)
– سایز ابعادی کانالها در هر دو قسمت آند و کاتد (طول ، عرض و عمق کانال)
– فاصله بین دو کانال در صفحات الکترود (یا بررسی شعاع گذر)
– مواد و ضخامت غشای تبادل یونی
– نوع کانال جریان کاتد (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ(
– و….
استفاده از مواد جایگزین و کار آمدتر موضوعی است که بسیاری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و یک پیکر بندی صحیح برای پیل از جمله مـواردی است که در این قسمت قابل بررسی است.
پژوهشهای بســیاری در زمـینه یافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبیه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روشهای مختلفی همچون تحلیلی ، تجربی ، شبیه سازی که در قالب دینامیک سیالات مورد مطالـعه قرار میگرد و ترکیب تحلیلی و تجربی به تحقیق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پیشنهاد می کنند که بیــشترین راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند.
4-1- پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری
سلیمان[1] و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچی که در سال 1980 توسط خود تاگوچی معرفی شد ، برای بهینه سازی پارامترهای فرآیندی استفاده کردند . استفاده از این روش تعداد آزمایشـات مورد نیاز را به طرز چشـم گیری کاهش داده و این سبب کاهش هزینه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمایش می گردد . در روش تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای غـیر قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهای نویز گفته میشود . آن دسته از پارامترهایی که کنترل آنان بسیار سخت و هزینه بر است نیز جزو پارامترهای غیر قابل کنترل یا نویز به حساب می آید. سلیمان و همکارش ]1[ در این آزمایشات پارامـترهای دمای کارکرد پیـل ، دمای رطوبت ، فشار کارکرد پیـل سوختی و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهای قابل کنترل در نظر گرفت و مقادیری را بعنوان مقادیر بهینه ارائه نمود و ادعا کرد که پیل سوختی در صورت عملکرد این مقادیر بیشترین راندمان خروجی را دارند.
بتی[2] و همكارانش ]3[ وابستگی فشار و دما را در سطح مشترك كاتالیست و غشا مورد بررسی قرار دادند. كاپادونیا[3] و همكارانش ]4[ وابستگی غشای نفیون 117 را بعنوان تابعی از دما و مرطوبیت بررسی كردند. سرید‌هار[4] و همكارانش ]5[ اثر رطوبت بر چگونگی عملكرد پیل سوختی پلیمری را تحقیق كردند و برای تحقیقات خود از یك سری آزمایشات مربوطه بهره گرفتند.
ونگ[5] و همكارانش ]6[ اثرات پارامترهای عملكردی همچون دما و … را بر راندمان پیل‌های سوختی تحقیق كردند و بصورت عملی و آزمایشگاهی تأثیر این پارامترها را در حالت‌های مختلف نشان دادند. ونگ از هیدروژن خالص برای سوخت در طرف آند و از هوای معمولی در طرف كاتد استفاده كرد.
هیون[6] و همكارانش ]7[ با توجه به آزمایشات عملی به تحقیق در مورد اثرات مرطوبیت بیرونی بر عملكرد پیل سوختی پرداختند.
هوانگ[7] و همكارانش ]8[ به بررسی میزان تغییرات راندمان خروجی در ازای تغییرات پارامترهای عملكردی پرداختند و نتیجه آزمایشات خویش را ارائه كردند.
فرنگ[8] و همكارانش ]9[ علاوه بر انجام آزمایشات عملی یك مدل تحلیلی ارائه كردند و با توجه به مدل تحلیل و آزمایشات عملی به بررسی میزان اثرات پارامترهای عملكردی و همچنین مشخصات جریان در كانال جریان گازی و لایه پخش‌كننده گاز پرداختند.
سانتارلی[9] و همكارانش ]10[ بر روی میزان مرطوبیت پیل سوختی در حالت اشباع و بدون مرطوبیت و همچنین میزان فشارهای واكنشگرها بصورت آزمایشگاهی تحقیق كرده و در نهایت نتایج خود را بعنوان مقادیر مناسب برای پارامترهای پیل سوختی درنظر گرفته و نتایج خویش را ارائه نمودند.
تیسیالنی[10] و همكارانش ]11[ یك سری آزمایشات در جهت افزایش راندمان پیل سوختی انجام دادند و در مقادیری خاص تاثیر این پارامترها را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند.
وهدامه[11] و همكارانش ]12[ با استفاده از یك سری آزمایشات تجربی به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جریان گازی در یك پیل سوختی w500 پرداختند.
لی[12] و همكارانش ]13[ با ارایه یك مدل همدما و پایدار از پیل سوختی پلیمری به بررسی واكنش‌های پیل و شرایط بهینه عملكردی پارامترها پرداختند.
جردان[13] و همكارانش ]14[ اثر پارامترهای لایه پخش گازی را بر عملكرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالی[14] و همكارانش ]15[ اثرات نفوذ آب بر غشایی از جنس نفیون 115 را مورد مطالعه قرار دادند. چندین تحقیق ]18-16[ با استفاده از مدل‌های شبیه‌سازی شده از پیل سوختی پلیمری، به بررسی عملكرد سمت كاتد و عملكرد كاتالیست بعنوان تسریع بخش واكنش‌ها و همچنین مدیریت آب و حرارت در پیل سوختی پرداختند.
[1]- Soleyman
[2]- Beattie
[3]- Cappadonia
[4]- Sridhar
[5]- Wang
[6]- Hyun
[7]- Hwang
[8]- Ferng
[9]- Santarelli
[10]- Ticianelli
[11]- Wahdame
[12]- Li
[13]- Jordan
[14]- Motupally

1-1- پیشگفتار
فلج شدگی[1] از­کار­افتادگی دائم اندام­های تحتانی  بدن است که براثر صدمه وارده به نخاع[2] واقع در ستون فقرات، معمولاً ناشی از حوادث یا بیماری، ایجاد می­شود. این امر باعث از بین رفتن توانایی کنترل حرکت و احساس در اندام­های پایین­تر از سطحی که نخاع آسیب‌دیده است، می­گردد. نوع فلج شدگی به سطح آسیب­ بستگی دارد و بر اثر فلج شدن ممکن است علاوه بر اندام­های تحتانی بخشی یا تمام اندام­های فوقانی متأثر گردند.
در این قسمت برای بررسی سطح آسیب­دیدگی و شناخت اندام­های متأثر شده بر اثر فلج­شدگی آناتومی نخاع و ستون فقرات انسان را بررسی می‌شود.
2-1- آناتومی نخاع و ستون فقرات
طناب نخاعی از سوراخ پس سری[1] تا سطح نخستین یا دومین مهره کمری امتداد می‌یابد. سوراخ پس سری، سوراخی است بزرگ در استخوان پس سر که مغز و نخاع در آنجا به یکدیگر متصل می‌شوند. طناب نخاعی، نخاع شوکی نیز خوانده می‌شود. از برجستگی کمری به پایین، نخاع شوکی باریک شده و تا ناحیه مخروط انتهایی[2] که دربرگیرنده­ی بخش‌های خاجی[3] طناب نخاعی است ادامه دارد. مخروط انتهایی، پایین‌ترین ناحیه تنه نخاع است.
نخاع دو وظیفه اصلی را بر عهده دارد: اول آن­که اعصابی را در بر دارد که نواحی حسی و کنترل حرکتی[4] مغز را به سایر قسمت­های بدن متصل می­کند. این اعصاب مسیرهایی را برای هدایت پالس­ها از دریافت­کننده­های حسی[5] بدن به مغز و سپس در جهت عکس توسط عصب­های حرکتی به ماهیچه­ها و غدد فراهم می­کند. دوم آن‌که نخاع مستقیماً اعصاب حسی را به اعصاب حرکتی مناسب برای ایجاد پاسخ،

 به‌صورت مستقل از مغز متصل می­کند که این امر به‌عنوان واکنش نخاعی[6] شناخته می­شود. نخاع درون کانال داخلی ستون فقرات[7] قرار دارد. اعصاب نخاعی به‌طور کلی به چهار بخش تقسیم می‌شود که متناظر با ناحیه­ای ­از ستون فقرات هستند که در آن قرارگرفته­اند. این بخش­ها عبارتند از: 1-گردنی[8] 2- سینه­ای[9] 3-کمری[10] 4 – خاجی[11] (‏ شكل1-1 ).

اعصاب نخاعی ۳۱ جفت است که از طناب نخاع منشعب می‌گردند که عبارت‌اند از: 1-اعصاب گردنی، هشت زوج 2-اعصاب سینه‌ای، دوازده زوج 3-پنج زوج کمری 4-پنج زوج خاجی 5-یک زوج دنبالچه‌ای.
به علت ارتباط نخاع با ۳۱ جفت عصب نخاعی، طناب نخاعی را به ۳۱ قطعه (سگمنت) تقسیم می‌کنند. یک قطعه نخاعی، استوانه‌ای از طناب نخاعی است که یک عصب نخاعی به آن اتصال می‌یابد. با توجه به اینکه طول نخاع به‌طور متوسط حدود ۲۵ سانتی‌متر کمتر از طول ستون فقرات است، بنابراین قطعات نخاعی از سطح گردنی به‌طرف انتهایی‌ترین قسمت نخاع در مقایسه با مهره‌های همنام، یکسان نبوده و به‌تدریج از هم دورتر می‌گردند. به‌عنوان مثال قطعه اول نخاعی (C1)، در سطح مهره اول گردنی قرار می‌گیرد، در حالی که قطعه اول خاجی (S1) در مجاورت مهره اول کمری است که در ‏ شكل1-1  قابل‌مشاهده است. از هشت زوج عصب گردنی، هفت عصب بالاتر از سطح مهره‌ی مربوط به خود از نخاع خارج می‌گردند و فقط زوج هشتم گردنی از زیر مهره هفتم عبور می‌کند. عصب‌های نخاعی سینه‌ای، کمری و خاجی از زیر مهره‌های مربوط به خود خارج می‌شوند.
3-1- صفحات آناتومی بدن انسان و نام‌گذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایین‌تنه
به‌منظور طراحی، بهبود و یا بررسی ساختار ارتز­های مورد استفاده در اندام تحتانی، نیاز به شناخت آناتومی بدن انسان در قسمت پایین­تنه و درجات آزادی موجود در این قسمت احساس می‌شود. پای انسان در حالت کلی به‌صورت یک سازه با هفت درجه­ی آزادی مدل می­شود ، به این ترتیب که سه درجه­ی آزادی در مفصل ران ( لگن)، یک درجه­ی آزادی در مفصل زانو و سه درجه­ی آزادی در قوزک پا خواهیم داشت. ‏ شكل1-2  صفحات آناتومی بدن انسان را نشان می­دهد و همچنین ‏ شكل1-3  یک مدل ساده‌شده از بدن انسان را در درجات آزادی موجود در هر صفحه، به نمایش می­گذارد. در این جا، به دوران مفاصل در صفحه­ی طولی خمش[1] و کشش[2] اطلاق می­شود (برای مچ پا الفاظ خمش به عقب[3] و خمش به کف پا[4] به ترتیب به‌جای خمش و کشش استفاده می­شود). علاوه بر این، حرکت مفصل ران و مچ پا در صفحه­ی عرضی بدن، دور شدن [5] (هنگامی که پا از بدن دور می­شود) و نزدیکی[6] (هنگامی که پا  به بدن نزدیک می­شود) نامیده می­شوند. به درجات آزادی باقیمانده برای ران و قوزک پا دوران[7] می­گویند (‏ شكل1-3 ).
4-1- انواع آسیب دیدگی های نخاعی
امکان آسیب نخاع در هر سطحی از طناب نخاعی وجود دارد. احتمال آسیب در دو ناحیه (C6-C7) و (T12-L1)  بیشتر از سایر نواحی طناب نخاعی است که علت آن تحرک زیاد یک قسمت و ثبات (تحرک کمتر) در ناحیه دیگر است. ضایعات ناکامل نخاع در اثر ضربات وارده به طناب نخاعی در ناحیه گردن شیوع بیشتری در مقایسه با قسمت سینه‌ای دارد. سطحی از نخاع که در آن آسیب­دیدگی ایجادشده­است و میزان شدت آسیب­دیدگی، درجات متفاوتی از ناتوانایی­های عصب‌شناختی[1]را ایجاد می­کند.
آسیب­دیدگی­های نخاعی ممکن است کامل یا ناقص باشد. در آسیب­دیدگی­های نخاعی کامل، نخاع کاملاً قطع می­گردد و توانایی کنترل حرکات ارادی و همچنین احساس در سطوح زیر آسیب­دیدگی کاملاً  از بین­ می­رود. دو نوع اصلی از آسیب­دیدگی­های نخاعی ناقص وجود دارد. در نوع اول تمام اعصاب در یک سطح خاص آسیب می­بینند، اما این امر باعث قطع کامل عملکرد آن‌ها نمی­شود. در نوع دیگر بخش­هایی از نخاع کاملاً  آسیب دیده­اند درحالی­که بقیه قسمت­ها سالم مانده­اند.
هرچه آسیب­دیدگی در سطح بالاتری اتفاق افتد و هرچه شدت آن بیشتر باشد، میزان ازدست­رفتگی احساس و ناتوانی در کنترل حرکت اندام تحتانی بیشتر است. اگر ضایعه نخاعی در سطح گردنی باشد، با توجه به‌شدت آسیب باعث ایجاد ضعف اندام‌ها یا فلج چهار اندام می‌گردد. ضایعه در سطح سینه‌ای یا ناحیه کمری منجر به ضعف اندام‌های تحتانی یا فلج اندام‌های تحتانی می‌شود.آسیب‌های رشته‌های دم‌اسبی، نمای بالینی ویژه‌ای به‌صورت فلج شل دو پا، بی‌اختیاری ادرار و مدفوع و همچنین بی‌حسی نسبت به درد و حرارت در ناحیه زینی[2] ایجاد می‌کنند.
در مورد آسیب­های کامل، سطح آسیب وارده توانایی بیمار برای انجام فعالیت­های مختلف را تحت تأثیر قرار می­دهد. سطح T1  بالاترین سطح آسیب­دیدگی است که در آن فرد توانایی اندام فوقانی خود را کاملاً حفظ می­کند، اما توان ایستادن و راه رفتن را از دست می­دهد. در آسیب­دیدگی در سطوح T2 تا T5 بیمار دارای اندکی توانایی برای کنترل تنه است و ممکن است با استفاده از عصا بتواند بایستد. در سطوح T6 تا T12 فرد ممکن است بتواند با استفاده از عصا برای فواصل کوتاه راه برود. بیماران سطح L2  تمام حرکات تنه و مفصل کمر را دارند، در حالی که بیماران L3  می­توانند زاویه زانو را نیز تغییر دهند. بیماران سطح L4  می­توانند، ساق پا و قوزک را به‌گونه‌ای کنترل کنند که خمش به عقب [3] ایجاد کنند. بیماران سطوح S1 و S2  می­توانند پا را در جهت خمش به کف پا [4] نیز حرکت دهند و مستقلاً بر روی تمام سطوح صاف و ناصاف بدون عصا راه بروند. رشته­های عصبی منشعب شده از نخاع در ‏ شكل1-4  نمایش داده‌شده­است. با مقایسه­ی ‏ شكل1-1  و ‏ شكل1-4  می­توان درک بهتری از سطح آسیب­دیدگی در ستون فقرات و ارتباط آن با از دست دادن توانایی کنترل حرکتی و حسی را به دست آورد.
[1]Neurological
[2]Saddle anesthesia
[3]Dorsiflexion
[4]Plantarflexion
[1]Flexion
[2]Extension
[3] dorsiflexion
[4] Plantar flexion
[5]Abduction
[6]Adduction
[7]Rotation
[1] Foramen magnum
[2] Conus medullaris
[3] Sacral
[4]Motor Control
[5] Sensory Receptors
[6]Spinal Reflex
[7]Vertebral Canal
[8]Cervical
[9]Thoracic
[10]Lumbar
[11]Sacral
1 Paraplegia
[2] Spinal Cord

­ای باشد(هر چند کوتاه) بر روابط استفاده شده در فصول بعدی. در فصل سوم مروری شده است بر کارهای صورت گرفته در زمینه رفتار قطره تحت میدان. در فصل چهارم نتایج آزمایش تجربی آورده شده­اند. در فصل پنجم رفتار قطره بصورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها در فصل ششم به بررسی نتایج تحلیلی ( اثر میدان الکتریکی بر روی قطرات ) پرداخته شده است. نتایج تجربی نشان میدهد که دو قطره با بار متضاد میتوانند همدیگر را دفع کنند .­پراکندگی قطرات در میدان الکتریکی منجر به تشکیل زنجیره قطرات میشود. همچنین انتقال بارهای الکتریکی میتواند بطور یکسان صورت نگیرد و پدیده­های مختلفی را رقم بزند. افزایش میدان الکتریکی برای قطراتی که به شکل رندم پخش شده اند باعث تشکیل زنجیره­ای از قطرات میگردد. رفتار نوسانی ، حالت تیلورکن ، اندرکنش دو قطره (انعقاد و جدایش) در این کار نشان داده شده است.  نتایج عددی و تحلیلی تغییر شکل قطره را در دو حالت متفاوت (قابلیت پلاریزاسیون) نشان میدهند. در فصل عددی شبیه سازی توسط روش شبکه بولتزمن و در حالت دو فازی صورت گرفته است. حالت های مختلف Breakup به کمک روش عددی بدست می­آیند.سه نوع جدایش pinch-off ،shear و back-breakup  در حالتهای مختلف دیده شده و همچنین رفتار دو قطره نیز بررسی شده است. در بحث تحلیلی، رفتار قطره در حالت ناپایدار و در دو حالت AC,DC مورد ارزیابی قرارگرفته است. در این اثر علاوه بر رفتار قطره ساکن ، حرکت قطره در میدانهای AC,DC مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج تحلیلی فرکانس بحرانی را پیشبینی میکنند که میتواند راستای تغییر شکل قطره را تغییر دهد. همچنین نتایج تحلیلی مطابقت خوبی با  نتایج عددی دارند. تمامی نتایج تحلیلی در اعدادکپیلاری الکتریکی کمتر از یک بدست آمده است. اثر میدان الکتریکی بر روی قطره در حال سقوط منجر به تشکیل گردابه هایی در درون و بیرون قطره میشود که پخش حرارت توسط این ورتکسها توسط روش عددی ترکیبی المان و حجم محدود مورد بررسی قرار گرفته است. افزایش عدد پکلت باعث کاهش اثر پخش حرارتی (ترم دیفیوز) شده و نقش جریان سیال در توزیع حرارت بیشتر میگردد.
فصل اول: آشنایی باکاربردهای الکتروهیدرودینامیک
یک میدان الکتریکی را در داخل سیال در نظر بگیرید.تاثیر متقابل این میدان الکتریکی با جریان سیال را الکترو هیدرودینامیک[1]
می­نامند.یکی از روشهای ایجاد الکتروهیدرودینامیک،استفاده از جریان یونها است.اگر حرکت یونها را در میدان الکتریکی در نظر بگیریم،این یونها زمانی که از یک الکترود به سمت الکترود دیگر حرکت می­کنند،درطول مسیر ذرّات سیال را بهمراه خود می­کشانند و باعث ایجاد جریان در داخل سیال می­شوند.برای تولید این یونها در سیال روشهای مختلفی وجود دارد (از جمله ایجاد میدان متمرکز و شدید الکتریکی در داخل سیال).می­توان گفت این رشته تحقیقاتی با توجه به اندازه یونها در مقیاسهای کوچک پتانسیل کاربردی بیشتری دارد.در مقیاس­های کوچک می­توان میکروپمپ و در سایزهای بزرگ می­توان از مبدل­های حرارتی نام برد.از این رشته می­توان در پالایش هوا،فیلترهای یونی،جداسازی ذرّات معلّق و … استفاده نمود.این رشته ترکیبی از رشته­های شیمی،فیزیک،مکانیک و الکترومغناطیس می­باشد.مثلاً در شیمی،می­توان به بررسی فعل وانفعال یونها در سطح الکترودها پرداخت و یا در الکترومغناطیس بر روی نحوه ایجاد میدان موّثر بر سیال و در مکانیک بر روی جریان و حرکت سیال کارکرد.
از جمله کاربردهای این رشته می­توان فرایند نمک زدایی[2] را نام برد.جهت جمع آوری ذرّات نمک در محلول(آب دریا) و رقیق سازی آن سعی می­شود تا از بهم پیوستگی[3] قطرات آب ، افزایش حجم و جرم قطرات جهت جداسازی فازها استفاده نمود.برای این کار از میدان  الکتریکی­ استفاده می­کنند.دی هیدراتورها[4] بر اساس سه نوع میدان الکترواستاتیک کار می­کنند[1].
– جریان مستقیم(DC)
– جریان متناوب(AC)
– جریان ترکیبی(AC/DC)
جریان های DC  بسیار کارامد هستند ولی باعث خوردگی الکترودها می­شوند.در مواقعی که از نفت خام[1] استفاده می­شود باید از منابع تامین ولتاژ قوی تر (میدان های الکتریکی چند فرکانسی) استفاده نمود.روغن خام دارای ویسکوزیته و هدایت الکتریکی بالاست. جریان های DC در روغن های تصفیه شده استفاده می­شوند در حالی که جریان AC در اکثر موارد کاربرد دارد.همچنین ترکیب AC/DC  هم می­تواند به عنوان میدان موثر استفاده شود.جریان AC در دی هیدراتورها جهت ایجاد میدان بین الکترود باردار و الکترود زمین استفاده می­شود(شکل 1-1).
همانطور که نشان داده شده، یک گرادیان AC ضعیف بین الکترود (+) و سطح مشترک روغن و آب و یک گرادیان AC قوی بین الکترود (+) و(-) تشکیل می­شود.روغن وارد شده به مخزن که در بالای سطح آب قرار دارد سریع منعقد می­شود و سپس شاهد بهم آمیختگی بیشترتوسط میدان AC قوی خواهیم بود و این در حالی است که روغن موجود در بالای الکترود(-) هیچ انعقادی ندارد چون اصولاً میدانی در آن جا وجود ندارد. امروزه از ترکیب AC/DC در فرایند جداسازی استفاده می­شود.در این نوع جداسازها ترکیبی از الکترودها بصورت موازی و عمودی و بصورت قطری در سراسر دریچه و کمی بالاتر از خط مرکزی قرار می­گیرند.در این وسایل از یک یا سه انتقال دهنده شامل دو قطبی­های معکوس جهت ایجاد میدان  DCبین الکترودهای مجاور استفاده می­شود. در بررسی نیروهای وارده به قطره آب،فرض کنید قطره­­ای در میان دو الکترود قرار دارد.پنج نیرو را برای این قطره می­توان در نظر گرفت.دو نوع از این نیروها وزن و هیدرولیک می­باشند.نیروی گرانش که برابر وزن قطره است و باعث حرکت به سمت پایین می­شود.نیروی درگ که از طرف سیال احاطه کننده قطره (روغن) باعث ایجاد (نیروی لیفت) می­شود.اگر قطره آب بزرگتر از قطر قطره استوکس[1] باشد،آنگاه وزن بر درگ غلبه کرده
و باعث جدایش آب از روغن میگردد. جهت بهبود روند جداسازی قطرات،میدان الکتریکی باید قابلیت ایجاد انعقاد قطرات را بالا برده و از این طریق باعث افزایش قطر قطرات نسبت به قطر استوکس گردد. 
سه نوع نیروی الکترواستاتیک را برای یک قطره می­توان متصوّر بود.
– نیروهای دو قطبی (Dipolar)
– نیروهای (Electrophoretic)
– نیروهای (Di-Electrophoretic)
نیروی دو قطبی نیروی بین مولکولهای آب است که متناسب با گرادیان میدان الکتریکی ،قطر قطره و فاصله بین قطرات است. نیروی
الکترو فورتیک می­تواند جاذب یا دافع باشد.این نیروها در یک میدان ولتاژ یکنواخت و بین قطره باردار و الکترود شکل می­گیرند.این نیرو

 متناسب با قدرت میدان،قطر قطره وهدایت الکتریکی روغن می­باشد. نیروهای دی الکتروفورتیک در یک میدان غیر یکنواخت تولید می­شوند و نیروهای جاذب می­باشند.این نیروها باعث راندن قطره به سمتی می­شوند که گرادیان ولتاژ در آن قسمت بیشتر است.این نیرو متناسب با قطر قطره و هدایت الکتریکی آن است.

 این سه نیرو در اغلب دیسالترها دیده می­شوند ولی مقدار این نیروها می­توانند با توجه به تغییر میدان الکتریکی جهت رسیدن به انعقاد و جداسازی بهتر تغییر کنند.هنگامی که قطرات منعقد شوند،فاصله بین آنها بیشتر شده و این باعث کاهش نیروی دو قطبی
می­گردد.همچنین نیروی الکتروفورتیک مستقل از فاصله قطره می­باشد ولی به هدایت الکتریکی و ویسکوزیته روغن وابسته است. نیروی الکتروفورتیک زمان ثابتی دارد متناسب با نسبت ثابت دی الکتریک به هدایت الکتریکی.در روغن­های با هدایت بالا میزان این نیرو شدیداً کاهش می­یابد.نیروی دو قطبی بین دو قطره در پایین دیسالترها (جایی که جزء آبی بیشتری وجود دارد،بالاتر است و قطرات در فضای کمتری نسبت به هم قراردارند. نیروهای دی الکتروفورتیک قطرات را بسمت نگهدارنده­های الکترود می­فرستند و باعث افزایش میزان قطرات و در نتیجه نیروی دو قطبی می­شوند. در جریان DC یکنواخت بین دو الکترود،نیروی الکتروفورتیک در جلو و عقب راندن قطره بین دو الکترود موّثر است.هنگامی که قطره بسمت الکترود تحریک شده نزدیک می­شود،بار همان الکترود را می­گیرد.در این هنگام نیروی الکتروفورتیک قطره را به سمت الکترود با بار مخالف می­راند. بنابراین این نیرو باعث ایجاد حرکت و تغییر مکان قطرات بین دو الکترود می­شود.در نتیجه این حرکت انعقاد موثر،تولید قطره با سایز بزرگ و جداسازی سریع را می­توان انتظار داشت.
در دیسالترها خواص فیزیکی نظیر،ویسکوزیته و دانسیته روغن و آب نیز موثرند.با استفاده از این مقادیر می­توان قطر شناوری را مشخص نمود.تمامی قطرات بزرگتر دارای وزن کافی جهت غلبه بر نیروی ویسکوز خواهند بود و روی سطح مشترک جمع می شوند. ویسکوزیته روغن با دما نسبت معکوس دارد.افزایش دما باعث کاهش ویسکوزیته و در نتیجه نشست قطرات می­شود ولی افزایش دما بر روی اختلاف دانسیته نیز تاثیر گذاشته و نرخ جدایش را تحت تاثیر قرار می­دهد.بنابر این بالانس بین نرخ روغن،اختلاف دانسیته و ویسکوزیته روغن جهت بهبود عملکرد ضروری به نظر می­رسد.این پارامترهای طراحی،متغیرهای اولیه در بررسی عملکرد می­باشند.دو پارامتر کلیدی دیگر که بر روی فرایند الکترواستاتیک و کارامدی آن تاثیر می­گذارند،کشش سطحی[1] و هدایت الکتریکی روغن
می­باشند.
کشش سطحی بالا انعقاد قطره را مشکل می­کند در حالی که کشش سطحی پایین ،فرآیند انعقاد را آسانتر می­کند ولی باعث می شود قطره منعقد شده راحت تر گسسته گردد و باعث ناپایداری آن می­شود.بار قطره بالا و یا افزودنی­های شیمیایی[2]،باعث کاهش
کشش سطحی و افزایش نرخ گسستگی[3] می­شوند.هدایت الکتریکی قطره نتیجه وجود مواد آلی و غیر آلی دارای قطب مغناطیسی و یا الکتریکی،ذرّات­ آب،ذرّات جامد هادی می­باشد.هر چه هدایت الکتریکی روغن بالا باشد،تاثیر معکوس بر روند نیروی الکترواستاتیک خواهد داشت.همانطور که نشان داده شده قطرات کوچکتر احتیاج به ولتاژ بالا جهت غلبه بر کشش سطحی دارند.اما اگر ولتاژ خیلی بالا باشد گسیختگی قطره را بدنبال دارد. دو ولتاژ جهت انجام کامل فرایند آب زدایی در نظر گرفته می­شود.اولین ولتاژ،ولتاژ آستانه­ای است.میدانی را در نظر بگیرید که در آن ولتاژ به آرامی افزایش می­یابد.در یک ولتاژ خاص جریان به شدّت افزایش می­یابد و این نشان دهنده شارژشدن الکتریکی آب است. به محض شارژ شدن نمودار نزول می­یابد که نشان از انعقاد قطره آب دارد.برای روغن خالص،چنین افزایش جریانی وجود ندارد و در واقع شیب جریان نسبت به ولتاژ ثابت و برابر هدایت الکتریکی روغن­ است. هنگامی که محدوده کاربرد ولتاژ زیر محدوده آستانه­ای است انرژی الکترواستاتیک کافی جهت انعقاد اولیه وجود ندارد.در ولتاژهای نزدیک به ولتاژ آستانه­ای قطر قطرات ماکزیمم می­شوند.در ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانه­ای ،قطرات با قطر کمتر دارای انرژی لازم نیستند و پدیده جدایش آب و نمک به خوبی صورت نمی گیرد.برای آب زدایی کامل ،تمامی آب موجود باید به قطرات با قطر بزرگتر از استوکس منعقد شوند تا از روغنی که به سمت بالا حرکت می­کند جدا شوند.انعقاد قطرات کوچکتر احتیاج به میدان قوی تر جهت ایجاد نیروی الکترواستاتیک لازم دارد.اما افزایش ولتاژ باعث افزایش نیروی الکترواستاتیک در قطرات بزرگتر هم می­شودکه گسیختگی را به همراه دارد. بنابراین ولتاژ به کار گرفته شده نباید از ولتاژ شکست بیشتر شود.به این ولتاژ،ولتاژ بحرانی گویند. افزایش ولتاژ بعد از این مرحله، باعث تشکیل قطرات کوچکتر و در نتیجه کاهش عملکرد آب زدایی خواهد گردید.
توانایی و قابلیت الکتریسیته در کنترل شکل و موقعیت قطرات بر روی سطوح جامد منجر به کاربرد این روش در زمینه­های بیوالکترومکانیک[4] شده­است.یک قطره باردار می­تواند به عنوان یک میکروراکتور استفاده شود.در حال حاضر کاربرد اصلی قطرات در میکروسیالها،قابلیت کنترل و انتقال آنها در این نوع وسایل می­باشد.در واقع این سیستمها از پدیده­های ناشی از باردار شدن قطره بر روی الکترود (و روغن به عنوان سیال پیرامون) استفاده می­نمایند.هنگامی که قطره نزدیک الکترود می­شود،دچار تغییر شکل شده و به حالت کشیده در می­آید.به دلیل این که قطره مورد نظر نسبت به محیط دی الکتریک اطراف هادی تر است ، لذا نسبت به روغن راحت تر پلاریزه می­شود[5] .بنابر این بارهای مخالف الکترود بر روی سطح مشترک روغن و آب وکنار الکترود جمع می­شوند.چون الکترود صفحه­ای است بارهای بیشتری در سطح مشترک روغن و آب کنار قطب قطره (که با الکترود تماس دارند جمع می­شوند).نیروی الکتریکی در اثر بارهای تجمع یافته افزایش می­یابد و این امر باعث کاهش فاصله الکترود و قطره می­ شود.بنابراین قطره در هنگام تماس با الکترود نوک تیز می­شود.این نوک تیز،سرانجام باعث تماس کامل قطره و الکترود شده و در تماس با الکترود بار الکترود را می­گیرد.به این پدیده باردار شدن قطره[6] (ECOD)گویند. سوالی که در این جا مطرح است این است که قطره چه میزان از بار الکترود را در یافت می­کند.پژوهشهای اخیر تا حدودی توانسته­اند پاسخ این سوال را بدهند[2].دیجیتال میکرو فلویدیک­ها [7] روشهایی هستند که بر اساس (ECOD) کار می­کنند.مزیت (DMF) در این است که انتقال قطره سریع بوده و اثرات سطح ناچیز می­باشد.
جهت بررسی (DMF) تراشه­ای مطابق (شکل1-3) در نظر بگیرید.الکترودها بصورت آرایه­ای بر روی سطح  آب گریز[8]  قرار گرفته­اند.بطوریکه توسط یک سوییچ الکتریکی به منبع تغذیه ولتاژ بالا وصل هستند.با توجه به این که روغن اطراف سیلیکون است ،آب بصورت قطرات کروی بر روی سطوح آب گریز قرار می­گیرد که برای پروسه (ECOD) بسیار مناسب می­باشد.
تحریک قطره با دادن ولتاژ متوالی (a-b) به الکترودها انجام می­پذیرد.ترتیب ولتاژ بصورت [+:-:0] و سپس [0:+:-] است که می­تواند معیاری برای زمان انتقال قطره باشد.هنگامی که یک ولتاژ به کار گرفته می­شود قطره به الکترود نزدیک می­شود و بار الکترود را
می­گیرد و سپس به سمت الکترود مخالف حرکت می­کند.در زمانی که قطره به الکترود کناری می­رسد،ولتاژ جفت الکترود قبلی قطع شده و به جفت الکترود بعدی داده می­شود.لذا قطره شارژ شده مطابق میدان الکتریکی منتقل می­گردد. میکرو کنترلر ولتاژ پی در پی را جهت کنترل حرکت قطره می­ فرستد.یک منبع تغذیه چند کاناله قابل برنامه ریزی توسط رله­ها به اجزاء خود متصل میگردد.در بعضی از وسایل از الکترودهای نقطه­ای استفاده می­ شود.
تفلون به عنوان سطح آبگریز و الکترود مسی با مقطع دایروی استفاده می­شود.این الکترودها به سیستم میکروکنترلر متصل می­شوند.همانطور که در بحث حرکت تک قطره مطرح شد،می­توان انعقاد دو قطره را نیز به همین طریق کنترل کرد.در ابتدا دو قطره بطور مجزا توسط نازل[1] بر روی سطح قرار می­­گیرند و سپس یک جریانDC  به الکترودها تزریق می­شود.در حرکت مستقیم یک میدان الکتریکی بین سومین و ششمین الکترود ایجاد می­شود و به محض قطع ولتاژ بین سومین و ششمین الکترود،یک میدان بین ششمین و نهمین الکترود ایجاد می­گردد که باعث رانش قطره به سمت الکترود نهم می­گردد.( شکل1-4).بطور مشابه می­توان توسط نیروی کلمب یک حرکت دورانی نیز ایجاد نمود.بطوریکه ابتدا میدان الکتریکی بین الکترودهای ششم ونهم ایجاد می­شود و سپس هشتم ونهم(زمانی که قطره به الکترود نهم رسیده و ولتاژ بین الکترود ششم ونهم قطع شده­است).قطره­ای که توسط الکترود ششم شارژ شده بود،از الکترود نه به سمت الکترود هشت حرکت می­کند.در طول انتقال قطره از الکترودی به الکترود دیگر،تماسی با سطح صورت نمی­گیرد و این امر از نمای جانبی مشخص است(شکل1-5).به دلیل اختلاف دانسیته کم ،قطره سعی دارد در مسیر کمان شکل که در اثر میدان ایجاد شده حرکت کند.بنابر این قطره در حین حرکت به سختی به الکترود می­چسبد و یا با آن تماس دارد.عدد باند[2] معرف میزان اثر کشش سطحی است().اگر این عدد بی بعد کوچک باشد،آنگاه کشش سطحی غالب بوده و می­توان یک قطره ساکن را کروی در نظر گرفت.(: اختلاف دانسیته دو فاز و : طول مشخصه می­باشد).
هنگامی که دو قطره با بار مخالف به یکدیگر نزدیک می­شوند به دلیل نیروی کلمب یک پل بین آنها تشکیل می­شود(شکل1-6).این پل نقش یک هادی را جهت انتقال بارها از یک قطره به قطره دیگر دارد.بعداز انتقال بار قطره خنثی می­شود(اگر دو قطره دارای یک میزان بار اما با علامت مخالف باشند).اما باید متذکر شد که این قطره در معرض پلاریزاسیون الکتریکی است لذا نیروی الکتریکی در صدد است تا این قطره را به دو قطره دیگرمجدّداً تجزیه نماید.از سوی دیگر،نیروی کشش سطحی تمایل دارد تا قطره کروی (ناشی از برخورد دو قطره)حفظ شود.بنابراین اگر نیروی الکتریکی ضعیف تر از نیروی کشش سطحی باشد ، قطره شکل کروی خود را حفظ می­کند اما اگر نیروی الکتریکی بیشتر باشد قطره دوباره تجزیه شده و دو قطره در جهت مخالف حرکت می­کنند. اهمیت نسبی تغییر شکل در اثر نیروی الکتریکی به بقاء شکل در اثر کشش سطحی توسط عدد بی بعد وبر[1] الکتریکی سنجیده می­شود.در این جاقطر انعقاد ناشی از برخورد دوقطره(بدون تغییر شکل) می­باشد.همیشه یک مقدار مرزی مشخص برای وبر الکتریکی وجود دارد که بین فرآیند یکپارچه شدن و جداشدن قطرات تمایز قائل می­شود.هنگامی که قطره انعقاد شده بار خالص صفر داشته باشد حرکت این قطره در میدان بسیار مشکل می­باشد. میزان بار جمع شده از طریق قطره از الکترود متناسب توان 1.59 از شعاع آن است.اگر قطره کاملا هادی باشد(شکل کروی) توان 2 در نظر گرفته می­شود.دانسیته بار سطحی [2] متناسب با میزان میدان الکتریکی است.در نتیجه می­توان از (ECOD)  در انتقال مولکولهای DNA از طریق قطرات بهره جست.
[1] Weber
[2] Surface charge density
[1] Micropipette
[2] Bond
[1] Interfacial tension
[2] surfactants
[3] Breakup
[4] Bio-EMS
[5] Polarized
[6] Electrical charging of drop (ECOD)
[7] Digital Micro Fluidics(DMF)
[8] Hydrophobic
[1] Stokes
[1] Crude oil
[1] Electro Hydrodynamic(EHD)
[2] Desalination
[3] Coalescence
[4] Dehydrator

قطعات مخروطی در صنعت و بطور خاص در صنایع نظامی، دارای کاربرد گسترده‌ای می‌باشند. یکی از رایج‌ترین فرآیند‌های شکل‌دهی ورق‌های فلزی، فرآیند کشش عمیق است. شکل‌دهی قطعات مخروطی با این فرآیند موضوع دشوار و پیچیده‌ای محسوب می‌گردد ]1و2[. شکل (1-1) شماتیک فرآیند مذکور را برای شکل‌دهی یک قطعه مخروطی نشان می‌دهد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، به دلیل تماس کم سطح ورق با سنبه در مراحل اولیه شکل‌دهی، تنش‌های زیادی در ناحیه تماس با نوک سنبه، به ورق اعمال می‌شود که موجب پارگی آن می‌گردد. بعلاوه، از آنجا که بخش عمده‌ای از سطح ورق در ناحیه بین نوک سنبه و ورق‌گیر آزاد است، در صورت کشیده شدن ورق، در دیواره قطعه مخروطی چروک ایجاد می‌شود. شکل (1-2) چروکهای بوجود‌آمده در قطعه مخروطی و همچنین پارگی ایجاد شده در نوک قطعه را که با روش کشش عمیق سنتی توسط نگارنده کشیده شده است، نشان می‌دهد. از این رو، قطعات مخروطی در صنعت عموماً با کشش عمیق چند مرحله‌ای ]1[، اسپینینگ ]2[ یا با شکل‌دهی انفجاری ] 3و4 [ شکل داده می‌شوند. این روشها علیرغم دارا بودن مزیت امکان شکل‌دهی قطعات مخروطی، دارای محدودیتهایی نیز هستند. در کشش عمیق چند مرحله‌ای، به چندین مجموعه قالب نیاز است. بعلاوه، به ازای هر مجموعه قالب باید نوعا پرس و اپراتور تامین گردد. همچنین، با تغییر در شکل و اندازه قطعه باید قالب جدیدی طراحی و ساخته شود که این موضوع سبب افزایش قابل ملاحظه در قیمت محصول می‌گردد. از طرف دیگر، دستیابی به قطعه مخروطی با نوک‌تیز در این روش بسیار دشوار است]1[. در روش اسپینینگ برای تولید قطعه، نیاز به تامین دستگاههای خاص می‌باشد. دستگاهی که بتوان با آن قطعات پیچیده و دقیق را ایجاد کرد، باید خودکار باشد که در آن صورت دارای قیمت بالایی خواهد بود. بعلاوه، دستگاه اسپینینگ برای تولید قطعات خیلی کوچک یا بزرگ دارای محدودیت می‌باشد. در روش اسپینینگ برای اینکه ورق بر روی مندرل قرار گیرد نیاز به یک ابزار خاص می‌باشد. این ابزار دستیابی به نوک‌تیز را برای قطعه مخروطی با محدودیت مواجه می‌سازد]2[. روش شکل‌دهی انفجاری نیاز به تجهیزات خاصی دارد و بعلاوه، با توجه به حساسیت زیاد موضوع انفجار، این روش در موارد خاص کاربرد دارد و ایمنی در آن نقش مهمی‌ را ایفا می‌کند. در این روش سرعت تولید قطعات پایین است و تنظیم پارامتر‌ها بسیار مهم می‌باشد ] 3و4 [.
در طی سال‌های اخیر فرآیند هیدروفرمینگ به عنوان یک جایگزین مناسب برای شکل‌دهی قطعات پیچیده ورقی از سوی صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته است. روش کشش عمیق هیدروفرمینگ یک نوع روش کشش عمیق است که در آن از یک سیال تحت فشار، بطور خاص در درون محفظه فشار، به عنوان محیط تغییر شکل دهنده استفاده می‌شود]5[. قطعاتی که با هیدروفرمینگ تولید می‌شوند در

 مقایسه با كشش عمیق سنتی، دارای مزایای قابل توجهی می‌باشند كه از آن نمونه می‌توان به نسبت كشش بیشتر (نسبت قطر ورق اولیه به قطر سنبه در صورتی که قطعه بصورت کامل و بدون عیب کشیده شود)، عملیات ثانویه کمتر، حذف جوشکاری، بهبود بخشیدن به استحكام و چقرمگی، كاهش هزینه قالب، ‌كیفیت سطح بهتر، كاهش برگشت فنری، دقت ابعادی بالاتر و قابلیت شكل‌دهی اشكال پیچیده اشاره كرد]6[.

پارامترهای موثر بر فرآیند هیدروفرمینگ شامل فشار اولیه داخل محفظه قالب، مسیر فشار، نسبت کشش، هندسه سنبه و ورق، جنس ورق و ضریب اصطکاک می‌باشد]5[.
استفاده از سیال برای شکل‌دهی یا هیدروفرمینگ از زمان جنگ جهانی دوم مرسوم بوده است. اولین قطعات هیدروفرم شده در سال‌های 1940 و 1950 تولید شدند. از سال 1990 هیدروفرمینگ به عنوان یك فرآیند قابل قبول در صنایع خودروسازی مطرح و مورد استفاده قرار گرفته است.  پس از آن، فعالیتهای پژوهشی در این زمینه متمرکز شده و مراکز تحقیقاتی مرتبط همکاری خود را با شرکت‌های سازنده خودرو و اتصالات فلزی گسترش داده‌اند ]6[.
2-1- معرفی روش‌های اصلی هیدروفرمینگ ورق
در زمینه فرآیند هیدروفرمینگ ورق تحقیقات زیادی در طی سالهای اخیر انجام شده و روشهای متعددی از سوی محققان ارایه گردیده است. برخی از این روشها به عنوان پایه سایر روشها محسوب می‌شوند. در این فصل، روشهای اصلی فرآیند هیدروفرمینگ مورد بررسی قرار می‌گیرد.
1-2-1- روش‌های ماتریس – سیال
در روش‌های هیدروفرمینگ ماتریس – سیال، سنبه بصورت صلب است و سیال درون محفظه نقش ماتریس را بر عهده دارد. این روش دارای انواع مختلفی است كه در زیر شرح داده می‌شوند.
1-1-2-1- هیدروفرمینگ استاندارد (هیدروفرمینگ با دیافراگم لاستیکی)
روش هیدروفرمینگ استاندارد توسط سیرووارودچلوان و تراویس]5[، کندیل]7[ و ژنگ و همكاران (]6[،]8[و ]9[) مورد مطالعه قرار گرفت كه تصویر کلی آن در شکل (1-3) نشان داده شده است. قطعات اصلی این روش شامل سنبه، ورق‌گیر، محفظه فشار و دیافراگم لاستیکی می‌باشد. در روش هیدروفرمینگ استاندارد، قالب به یک محفظه فشار تبدیل می‌شود و فشار سیال از طریق دیافراگم لاستیکی واقع در بین ورق و سیال، به ورق منتقل می‌شود. در این روش ابتدا ورق بر روی دیافراگم قرار می‌گیرد و سپس ورق‌گیر بر روی ورق قرار داده می‌شود. فشار شکل‌دهی با پایین رفتن سنبه ایجاد می‌گردد. همچنین نیروی ورق‌گیر در قسمت فلنج قطعه با اعمال فشار روغن و از طریق دیافراگم لاستیکی به ورق اعمال می‌شود. این روش دارای مزایای زیادی است که از آن جمله می‌توان به کیفیت سطح بهتر، شکل‌دهی قطعات پیچیده و عدم چروكیدگی در ناحیه فلنج قطعه كار اشاره کرد]8[.
همانگونه که از شکل (1-3) پیداست، یکی از اجزای اصلی روش هیدروفرمینگ استاندارد، یک دیافراگم لاستیکی است که برای آب‌بندی محفظه، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به علت تماس مستقیم ورق با دیافراگم و در نتیجه، ایجاد تغییر شکل زیاد در دیافراگم، خرابی زودرس در آن رخ می‌دهد. بعلاوه، تعویض دیافراگم وقت‌گیر و هزینه‌بر بوده و موجب افزایش نیروی شکل‌دهی خواهد شد. همچنین کنترل چروک در این فرآیند مشکل می‌باشد]8[. از این رو، کاربرد روش هیدروفرمینگ استاندارد در صنعت با مشکلاتی همراه بوده که چندان با استقبال صنعتگران مواجه نگردیده است.
2-1-2-1- کشش عمیق هیدرومکانیکی -هیدرواستاتیکی
به منظور کاهش محدودیت‌های روش هیدروفرمینگ استاندارد، از سوی تعدادی از محققان روش کشش عمیق هیدرومکانیکی بر اساس روش هیدروفرمینگ استاندارد ارایه شد که در شکل (1-4) شماتیک این روش نشان داده شده است. همانطور که از شکل پیداست، در این روش، دیافراگم لاستیکی حذف شده و برای آب‌بندی محفظه روغن از اورینگ بین ورق‌گیر و ماتریس استفاده شده است. فشار سیال با حرکت سنبه به داخل محفظه بوجود می‌آید. همچنین، از یک واحد فشارساز نیز می‌توان برای ایجاد فشار استفاده کرد. در این روش به فشار بالای سیال نیاز است. بعلاوه، سیستم ورق‌گیر در آن مشابه حالت كشش عمیق سنتی می‌باشد که تنظیم نیروی ورق‌گیر در آن بسیار مشکل است ]6[. با استفاده از این روش، نسبت کشش برای یک فنجان استوانه‌ای در مقایسه با روش سنتی کشش عمیق از 8/1 به 7/2 افزایش یافت]8[.
3-1-2-1- روش كشش عمیق هیدرومکانیکی- هیدرودینامیكی
شماتیك روش کشش عمیق هیدرودینامیکی در شكل (1-5) نشان داده شده است. در این روش، در ناحیه بین ماتریس و ورق‌گیر از هیچ آب‌بندی استفاده نمی‌شود و روغن می‌تواند از این ناحیه خارج شود. بعلاوه، ورق در این ناحیه آزاد است. این امر موجب جریان آسان ورق می‌گردد. نسبت كشش در این روش نسبت به روش هیدرومکانیکی- هیدرواستاتیکی بیشتر، اما احتمال چروكیدگی نیز در ناحیه فلنج بیشتر می‌باشد (]9[ و ]10[).
4-1-2-1- کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی
روش کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی بطور شماتیک در شكل (1-6) نشان داده شده است. این روش از توسعه روش کشش عمیق هیدرودینامیکی حاصل شده است. به بیان دیگر، این روش شبیه کشش عمیق هیدرودینامیکی است، با این تفاوت که فاصله بین ورق‌گیر و ماتریس (g در شکل) بسیار کوچک است. این تفاوت باعث ایجاد فشار شعاعی روی لبه ورق می‌شود. از این رو، این روش، هیدرودینامیکی با فشار شعاعی نامیده شد. فشار شعاعی باعث راحت‌تر جاری شدن ورق به داخل ماتریس و افزایش نسبت کشش می‌شود. همچنین، شکل‌های پیچیده‌تری را نسبت به روش هیدرودینامیکی می‌توان شکل داد. در این مجموعه قالب، وقتی سنبه به سمت پایین حرکت می‌کند، سیال در داخل محفظه تحت فشار قرار می‌گیرد. این فشار باعث شکل گرفتن ورق بر روی سنبه می‌شود. در این روش، ورق در داخل یک محفظه (به ارتفاع G در شکل) قرار می‌گیرد. ارتفاع این قسمت از ضخامت ورق بیشتر است. در نتیجه، ورق بین ورق‌گیر و ماتریس آزاد است. بدین ترتیب، شکل دادن ورق در این مجموعه قالب در مقایسه با کشش عمیق هیدرودینامیکی معمولی نیاز به نیروی کمتر پرس دارد و نیز نسبت کشش به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد]10[.
5-1-2-1- کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار یکنواخت روی ورق
روش کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار یکنواخت بطور شماتیک در شكل (1-7) نشان داده شده است. این روش بهبود یافته روش کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی است، با این تفاوت که در فاصله بین ورق‌گیر و ماتریس از یک اورینگ برای آب‌بندی استفاده شده است. به دلیل آب‌بندی مجموعه قالب، می‌توان با اعمال فشار اولیه بالا در ورق حالت پیش- بشکه‌ای[1] ایجاد کرد. استفاده از رینگ آب‌بندی در این مجموعه قالب باعث می‌شود که کنترل فشار در قالب راحت‌تر و دقیق‌تر باشد. همچنین فشار در قسمت فلنج و رینگ با فشار محفظه یکسان است. این موضوع باعث افزایش زیاد در نسبت کشش می‌شود]11[.
6-1-2-1- کشش عمیق هیدروریم
همانطور که در بالا بیان شد، اعمال فشار شعاعی سیال بر روی لبه ورق باعث حرکت راحت‌تر ورق به داخل حفره می‌شود. بر این اساس، روش کشش عمیق هیدروریم ارایه شد. تصویر شماتیک یک نمونه از این روش در شکل (1-8) نشان داده شده است. در این روش، ورق علاوه بر سطوح بالایی و پایینی، از طرف لبه نیز در تماس با سیال می‌باشد و با ورق‌گیر و قالب تماس ندارد. بر این اساس نسبت کشش افزایش یافته است، اما احتمال ایجاد چروکیدگی در ورق نسبت به روش کشش عمیق هیدرودینامیکی بیشتر می‌باشد، زیرا ورق در هر دو سمت بالا و پایین آزاد است. همچنین به علت خارج شدن روغن، افت شدیدی در فشار روغن به وجود می‌آید که برای جبران آن باید فشار را افزایش داد. بر اساس نتایج گزارش شده، نسبت کشش در این روش نسبت به روش کشش عمیق هیدرومکانیکی برای کشش یک فنجان استوانه‌ای از 6/2 به 2/3 افزایش یافت (]5[و]8[).
[1] -Pre-bulge

دانشكده: مهندسی علوم آب

گرایش تحصیلی: سازه‌های آبی

عنوان پایان‌نامه :

بررسی تأثیر پارامترهای هندسی آبشكن و عمق كارگذاری ریپ رپ جهت محافظت از آبشكن در قوس 90 درجه

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(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)
تعریف مسأله، فرضیه ها و اهداف:
یکی از بالاترین خسارات ناشی از حوادث غیر مترقبه،  پدیده فرسایش سواحل می باشد. یكی از وظایف دولتها كاهش اثرات بلایای طبیعی بوده است . همین امر به روشنی لزوم یافتن راه حل اصولی برای كنترل و پیشگیری وكاهش خسارت ناشی از آنها را به اثبات می رساند.
مکانیزم رودخانه­ها به گونه­ای است که مقطع یک رودخانه به مرور زمان دچار تغییرات شدید می­گردد. این تغییرات بویژه در قوس رودخانه­ها مشهودتر است. فرآیندهای فرسایش ساحل به طور مستقیم به مهاجرت جانبی آبراهه­های آبرفتی مربوط می­شود. اندركنش نیروهای فعال حاصل از جریان آب و نیروهای مقاوم به جریان ناشی از مواد بستر باعث فرسایش ساحل می­شود.
در قوس رودخانه، نیروهای هیدرودینامیكی جریانهای ثانوی را بوجود می­آورند كه خطوط جریان سطحی را به سمت ساحل بیرونی و خطوط جریان نزدیك به بستر را به سمت ساحل داخلی منحرف می­سازند. در مقطع جریان درامتداد قائم، خطوط جریان مجاور ساحل بیرونی بطرف پایین و خطوط جریان پشته متمركز داخلی به طرف بالا هستند در نتیجه پایداری ذره در نزدیكی ساحل خارجی بهم می­خورد و بستر رودخانه گود می­شود و از طرف دیگر در مجاورت پشته متمركز داخلی به پایداری ذره اضلافه می­شود و تراز بستر افزایش پدا می­كند. آبشستگی در پنجه ساحل خارجی، خط­القعر را به سمت ساحل بیرونی قوس جابجا می­كند و شیب ساحل را افزایش می­دهد كه در نهایت به شكست ساحل منتهی می­شود.
با توجه به مطالب بیان شده در خصوص هیدرولیک جریان در خم رودخانه­ها، قوس خارجی همواره تحت تاثیر بردارهای شدید سرعت بوده و دچار فرسایش می­گردد و در قوس داخلی رسوبگذاری ایجاد می­گردد همچنین از آنجا که تخریب ساحل در قوس خارجی می­تواند

 ضررهای زیادی را به همراه داشته باشد، حفاظت از این قسمت از ساحل بخش مهمی از مهندسی رودخانه را تشکیل می­دهد. جهت محافظت ساحل در قوس بیرونی روشهای متعددی وجود دارد که از آن جمله می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- حفاظت ساحل بوسیله احداث آبشکن
2- حفاظت ساحل بوسیله احداث Bendway  
3-حفاظت ساحل بوسیله احداث دایک
4- حفاظت ساحل بوسیله پوشش گیاهی
5- حفاظت ساحل بوسیله پوشش سنگ چین (Riprap)
6- حفاظت ساحل بوسیله پوشش خاک و سیمان
7- حفاظت ساحل بوسیله پوشش توری سنگ ها و روکش ها
8- حفاظت ساحل بوسیله پوشش با کیسه های مخصوص مخلوط سیمان و خاک
9- حفاظت ساحل با استفاده از مصنوعات ژئوسنتتیک
10- حفاظت ساحل بوسیله اجرای دیوار حائل
استفاده از آبشکن یا اپی از جمله بهترین و اقتصادی­ترین روش جهت محافظت سواحل در اغلب شرایط بوده و در اکثر نقاط دنیا مورد استفاده قرار می­ گیرد.
 « Bankheed ،Groin ،Groyne» کلمه ­ای فرانسوی است. معادل آن در زبان انگلیسی «Epi» است.
كه در زیان فارسی آب شکن ترجمه شده است. نقش آن این است که جریان آب کناره رودخانه را به طرف وسط رودخانه هدایت میکند و سرعت آب درکناره ها را کاهش میدهد و نیز قسمتی از آب رودخانه را بین اپی­ها به حالت سکون باقی میگذارد. در نتیجه، مواد محموله آب ته نشین می­شود و رودخانه حالت پس رفتگی پیدا می­کند و کناره بتدریج تثبیت می­شود.
انواع آبشکن:
آبشکن­ها از نظر نوع استفاده به موارد زیر تقسیم میشوند:
الف: آبشکن­های طویل غیر مستغرق )قابل استفاده در آبخیزداری(
ب: آبشکن­های کوتاه غیر مستغرق )قابل استفاده در آبخیزداری(
ج: آبشکن­های طویل مستغرق   (قابل استفاده در کشتیرانی)
د: آبشکن­های کوتاه مستغرق (قابل استفاده در کشتیرانی(
الگوی جریان برای دو آبشکن مستغرق و غیر مستغرق در شکل (2) ارائه شده است.
آبشکن­ها، نسبت به زاویه استقرار با جهت جریان آب، نیز به شرح زیر تقسیم­بندی می­شوند:
1- آبشکنهای برگردان یا منحرف کننده: نسبت به جریان آب بین 10 تا 15 درجه درجهت جریان آب ) به سمت پایاب)
2- آبشکن های بازدارنده: نسبت به مسیر جریان آب بین 10 تا 15 درجه در جهت عکس جریان آب ) به سمت سراب(
3- آبشکن های عمودی :زاویه معادل 90 درجه نسبت به مسیر جریان آب به سمت محور رودخانه.
در شكل (3) وضعیت قرار گرفتن آبشكن نسبت به راستای جریان نشان داده شده است.
آبشكن‌های جذبی كه در آن محور آبشكن به سمت پائین تمایل دارد و این امر موجب می‌گردد تا جریان آب به میدان آبشكن متمایل گردد. بعلاوه در این نوع آبشكن ساحل مقابل از انحراف جریان حاصله از سازه متأثر نمی‌گردد.
آبشكن‌های دفعی كه در آن محور آبشكن به سمت بالا تمایل دارد. در این حالت غالباً جریان آب از محدوده آبشكن به سمت ساحل مقابل رانده شده و آنرا تحت تأثیر قرار می‌دهد.
آبشكن‌های برگردان كه در آن فقط مسیر جریان بصورت محدود از اطراف سازه منحرف می‌گردد.
 آبشکنها بر اساس نفوذپذیری به سه دسته زیر تقسیم بندی می­شوند :
1- آبشکنهای تاخیری
2- آبشکنهای تاخیری- منحرف کننده 
3- آبشکنهای منحرف کننده 
از نظر ساختاری سازه آبشكن عموماً از پنج جزء مشخص شامل دماغه، بازو، ریشه، پیش‌بند و روكش تشكیل شده است. در شكل (5) اجزای پنجگانه مزبور نشان داده شده است.
مشخصات عمومی آبشكن‌ها:
عملكرد آبشكن‌ها از نظر فرسایش و رسوبگذاری عموماً تابعی از فاصله، طول، راستا و شكل آنها می‌باشد. چنانچه فاصله آبشكن‌ها بیش از حد لازم انتخاب شد این احتمال وجود دارد كه جریان رودخانه وارد میدان آبشكن گردیده و موجبات فرسایش كناره‌ها را فراهم آورد. بعلاوه این امر ایمنی آبشكن پایین دست را نیز به مخاطره می‌اندازد و مانع تشكیل لایه رسوبی یكپارچه در فضای بین آبشكن‌ها می‌شود. شكل (6) وضعیت جریان را در محدوده آبشكن در حالتی كه فاصله سازه‌ها بیش از حد متعارف است نشان می‌دهد.
طبق بررسی‌های انجام شده برای عملكرد مطلوب آبشكن‌ها (تشكیل لایه رسوبی و پایدارسازی كناره‌ها و برقراری جریان منظم در رودخانه) بهتر است رابطه ذیل رعایت شود.
در این رابطه L فاصله آبشكن‌ها (بر حسب متر)، C ضریب شزی و h عمق جریان (بر حسب متر) در رودخانه،  ضریب اصلاحی و g شتاب ثقل می‌باشد، برقراری رابطه فوق موجب می‌گردد تا مطابق شكل (7) یك گرداب منفرد و فراگیر در میدان آبشكن تشكیل گردد. وقوع این حالت ترسیب یكنواخت‌تر مواد رسوبی در میدان آبشكن و عملكرد مطلوب آن را به دنبال دارد.
علاوه بر فاصله، طول آبشكن‌ها نیز در عملكرد رفتاری آنها از نظر فرسایش و رسوبگذاری موثر است. براساس تحقیقات انجام شده در آزمایشگاه هیدرولیك دلفت هلند  نسبت  مناسب تشخیص داده شده است، و از این رو انتخاب آبشكن‌های كوتاه چندان مطلوب نمی‌باشد چه باعث افزایش نسبت مزبور می‌گردد. ممك و ولوسنی همچنین رابطه كلی ذیل را در انتخاب L و b پیشنهاد كرده‌اند :
در این رابطه B عرض كنترل شده رودخانه (شكل 7) و L و b به ترتیب فاصله و طول آبشكن‌ها می‌باشد. همانطوریكه از رابطه (2) بر می‌آید در انتخاب طول و فاصله آبشكن‌ها بعضی از محققین توجه به عرض رودخانه (B) را نیز توصیه نموده‌اند. در جدول (1) نسبت‌های پیشنهادی برای  و  توسط بعضی از منابع درج گردیده است.
راستای آبشكن‌ها نسبت به مسیر جریان نیز تأثیر عمده‌ای در عملكرد آنها از نظر جابجایی و انتقال مواد رسوبی دارد. براساس تحقیقات انجام شده توسط آكانتیس و همكاران آبشكن‌هایی كه رو به پایین ساخته می‌شوند (آبشكنهای جذبی) از نظر میزان رسوبگذاری در میدان آبشكن ومسئله فرسایش در محدوده سازه از عملكرد خوبی برخوردارند. در جدول (2) زاویه انحراف آبشكن‌ها نسبت به امتداد جریان براساس نظریه كارشناسان مختلف ارائه شده است. در این جدول مطابق شكل (8) علامت  معرف زاویه انحراف آبشكن است.
براساس بررسی‌های انجام گرفته آبشكن‌های دفعی موجب تشدید فرسایش در دماغه و ایجاد چاله فرسایشی عمیق‌تری می‌شوند. از آنجائیكه یكی از اهداف احداث آبشكن برقراری شرایط لازم برای ترسیب مواد رسوبی درمیدان آبشكن می‌باشد. لذا در طراحی آبشكن‌ها این مسئله مورد توجه قرار می‌گیرد. آبشكن‌های دفعی در مقایسه با آبشكن‌های قائم موجب افزایش رسوبگذاری(بخصوص در جناح پایین دست) میدان آبشكن می‌گردد. در این نوع آبشكن‌ها با تشكیل یك گرداب فعال (هسته چرخشی) مواد معلق موجود در آب در میدان آبشكن (و بویژه در محدوده بالادست) آبشكن) ترسیب می‌نماید (چگونگی رسوبگذاری در محدوده آبشكن‌های دفعی و جذبی در شكل (9) نشان داده شده است). آبشكن‌های جذبی برای حفاظت سواحل فرسایشی رودخانه چندان مناسب نمی‌باشند. در این نوع آبشكن‌ها جریان فعال نفوذی به میدان آبشكن اغلب موجب تخریب و فرسایش كناره‌ها گردیده و به نوبه خود سلامت سازه آبشكن را نیز به مخاطره می‌اندازد. آبشكن‌های قائم نیز محدوده حفاظتی كمتری را پوشش می‌دهند. از اینرو آبشكن‌های دفعی در مقایسه با سایر انواع آبشكن‌ها برای حفاظت كناره‌ها از خطر فرسایش و همچنین تحقق اهداف رسوبگذاری و تشكیل لایه رسوبی ضخیم در فضای بین سازه‌ای مناسب می‌باشند.در زمینه آبشستگی پای آبشکن تحقیقات زیادی  صورت گرفته و روابطی را جهت تعیین حداکثر عمق آبشستگی در پای آبشکن ارائه کرده­اند ولی همچنان به عنوان یکی از مسائل مورد توجه مهندسی رودخانه به حساب می­آید.
یکی از نواقص اکثر این تحقیقات استفاده از فلوم مستقیم در آزمایشگاه بوده است. همانطور که بیان گردید از آبشکنها جهت حفاظت سواحل در خم رودخانه­ها استفاده می­شود و با توجه به ماهیت پیچیده جریان در خم رودخانه نمی­توان اطلاعات مربوط به کانالهای مستقیم را برای رودخانه­های طبیعی بکار برد. بدلیل تشابه مکانیزم آبشکن و پایه پل، الگوی جریان و آبشستگی در اطراف این دو سازه شباهت زیادی به یکدیگر دارند.