جلسه دفاع پژوهشی 2 (خانم سپیده خداوردی)
موضوع: بررسی دینامیکی و ترمومکانیکی موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار
ارائه دهنده: سپیده خسروی
اساتید راهنما: دکتر محمود کدخدایی، دکتر محمد سیلانی
اساتید داور: دکتر محمدرضا فروزان، دکتر مهدی جوانبخت و دکتر علیرضا فتحی
چکیده:
مقدار قابل توجهی از انرژی در اکوسیستم و همچنین در صنعت شامل گرمای هدررونده در تجهیزات، انرژی زمین‌گرمایی، گرادیان‌های گرمایی اقیانوسی و همچنین تابش خورشید، استفاده نمی‌شوند. این در حالی است که تلاش‌های بسیاری برای استفاده از منابع انرژی با درجه حرارتی کم و تبدیل انرژی گرمایی به مکانیکی یا الکتریکی صورت گرفته است. آمارهای موجود حاکی از هدررفتن 60 درصد انرژی تولید شده است که در این میان نزدیک به 90 درصد این انرژی در دمای کمتر از 200 درجه سانتی‌گراد بوده و به عنوان درجه پایین طبقه‌بندی می‌شود. بسیاری از فن‌آوری‌ها مانند ترموالکتریک به عنوان رهیافتی برای برداشت انرژی حرارتی از دست رفته ارائه شده‌اند. در میان آن‌ها، به نظر می‌رسد که موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار یک کاندید قوی برای تبدیل این خروجی حرارتی درجه پایین به کار مکانیکی با بهره‌گیری از خاصیت حافظه‌داری است. به عنوان مثال، با استفاده از این خاصیت می‌توان آلیاژی را که در دمای بالا منقبض شده است، در هنگام سرمایش دچار انبساط نمود و این امر در واقع اساس ایجاد کار مکانیکی در موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار به‌شمار می‌رود. متاسفانه، اگرچه در ابتدای دهه 60 موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار معرفی شده و در دهه70 توسعه چشمگیری پیدا کردند، اما موانع قابل توجهی باعث توقف تبدیل این فناوری از یک کنجکاوی علمی به یک محصول عملی با قابلیت تجاری‌سازی شده است. ایراد عمده در بهره‌برداری روش‌هایی که تا به امروز توسط محققان ارائه شده است، بازده پایین و همچنین نبود دانش کافی درخصوص تمام جزئيات رفتارهای اين موتورها است، به‌طوری که مدل‌های ترمودینامیکی ارائه شده بسیار ساده بوده و قادر به بررسی کلیه زوایای مسأله نمی‌باشد. از طرف دیگر طبق پژوهش‌های صورت گرفته رابطه‌ی مستقیمی بین سرعت زاویه‌ای و بازده موتور حرارتی وجود دارد؛ اما در دیدگاه‌هایی که تاکنون نسبت به این نوع موتورهای حرارتی بیان شده‌است، هیچگاه سرعت زاویه‌ای به‌عنوان یک عامل اساسی و تاثیرگذار در نحوه‌ی عملکرد موتور حرارتی آلیاژ حافظه‌دار ارزیابی نشده‌است.
پژوهش ارائه شده در این رساله با هدف ارزیابی دینامیک و ترمومکانیک کاملاً کوپله سیستم تسمه پولی به عنوان ساده‌ترین مدل موتورهای حرارتی با استفاده از آلياژهای حافظه‌دار طراحی شده‌است. در این مدل موتور حرارتی، سیم آلیاژ حافظه‌دار با ورود به منبع گرم به‌طور همزمان دچار خمش شده و هر دو عامل تنش و تغییرات دما در ایجاد کرنش داخل سیم آلیاژ حافظه‌دار نقش دارند. بنابراین، تحلیل دقیق نقاط مختلف سیم در زمان‌های متفاوت یکی از اقدامات مؤثر در پیشبرد اهداف پژوهش بوده است. با بهره‌گیری از رابطه ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار و همچنین حل معادله انرژی به‌طور همزمان، امکان بررسی اثر متقابل تنش و دما در بارگذاری و باربرداری خمشی و همچنین اثر نرخ کرنش بر رفتار ترمومکانیکی آلیاژ حافظه‌دار فراهم شد. نمونه اولیه ای از موتور حرارتی مورد بررسی ساخته شده و تاثیر عوامل مختلف بر روی سرعت زاویه ای بررسی شد. پس از استخراج معادله حاکم و شبیه‌سازی یک مدل سه بعدی از موتور حرارتی در نرم‌افزار آباکوس ، به منظور بررسی صحت مدل ارائه شده، نتایج تجربی حاصل از نمونه بررسی شده با مدل-سازی انجام شده، مقایسه می‌شود. در نهایت، تلاشی برای ارائه مدل بهینه از موتور حرارتی آلیاژ حافظه‌دار و تنظيماتی برای دستيابی به بيشينه بازده ممکن صورت می‌گیرد.