دانلود پایان نامه ارشد : طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک

گرایش : ساخت وتولید

عنوان : طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

دانشگاه مازندران

عنوان:

طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک- ساخت وتولید

 

استاد راهنما:

دکتر محسن شاکری

 

استاد مشاور:

دکتر کورش صدیقی

 

مهر ماه 88

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)چکیدهپیل هاى سوختی، دستگاه هاى الکتروشیمیایی هستند که براى تبدیل مستقیم سوخت به انرژی الکتریکی به کار می روند. یکی از مهمترین نوع پیلهای سوختی، پیل سوختی پلیمری است که کاربرد فراوانی دارد. در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد : بهینه سازی در طراحی و ساختبهینه سازی پارامترهای فرآیندیدسته اول که به بهینه سازی در ساخت اشاره دارد، به مواردی همچون نوع کانال جریان، هندسه کانال، جنس اعضای تشکیل دهنده پیل و همچنین یک پیکربندی مناسب و ... برمی­گردد. این پارامترها گرچه پارامترهای بسیار مهم و موثری هستند ولی به هیچ وجه در طی فرآیند قابل تغییر نیستند و در کل فرآیند ثابت اند. دسته دوم که مربوط به پارامترهای عملکردی یا پارامترهای فرآیندی است شامل پارامترهای نظیر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد، دمای کارکردی پیل سوختی، نرخ جریان ورودی در سمت آند و کاتد و ...... هستند که قابلیت انعطاف داشته و در طول فرآیند می­توانند تغییر کنند. تحقیق حاضر بعلت مشکلات موجود در بهینه سازی پارامترهای هندسی، به بهینه سازی سه پارامتر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی پرداخته که در میان پارامترهای فرآیندی از اهمیت وافری برخوردار است.در این تحقیق الگوریتم ژنتیک به عنوان یکی از قویترین ابزارهای بهینه سازی به کار گرفته شده است و از نرم افزار پیل سوختی نوشته شده در گروه پژوهشی دانشگاه که بر اساس حل تحلیلی پیل سوختی عمل می کند، جهت ایجاد منحنی پلاریزاسیون و سپس منحنی توان استفاده شده است. ماکزیموم مقدار منحنی توان میزان بهینگی پارامترها (تابع برازندگی) در نظر گرفته شده است.در الگوریتمهای ژنتیک معمولا از روش کدگذاری در مبنای دو برای مقادیر پارامترها استفاده می شود ولی برای راحتی کار و ایجاد سرعت بیشتر، در الگوریتم به کار گرفته شده از روش کدگذاری اعداد حقیقی بهره گرفته شده است همچنین برای عدم از بین رفتن جوابهای برازنده در نسلهای میانی از الگوریتم نخبه گرا استفاده شده است. در جدول زیر مقادیر به دست آمده برای سه پارامتر فوق و همچنین مقادیر بهینه گزارش شده از مقاله سلیمان و همکارش ]1[ آورده شده است. 
 پارامترمقدار بهینه حاصل از الگوریتم حاضرمقدار گزارش شده بر اساس مرجع ]1[
دمای کارکردی پیل (oC)7575
فشار آند (bar)5/45
فشار کاتد (bar)55
 در این تحقیق نمودارهای ماکزیمم توان بر حسب فشارهای جزیی آند و کاتد نشان داد تغییرات فشار سمت آند نسبت به تغییر مشابه فشار در سمت کاتد، در راندمان خروجی بسیار موثرتر است و حساسیت فشار آند نسبت به فشار کاتد بسیار بیشتر است که دلیل آن اهمیت انجام واکنشها و سوخت مصرفی در سمت آند است.مقدار به دست آمده برای دمای کارکردی پیل نشان می دهد افزایش دما تا حدی بر راندمان پیل اثر مثبت گذاشته ولی اگر دما از مقدار خاصی تجاوز کند راندمان پیل کاهش چشمگیری خواهد داشت که این اتفاق را می توان به دلیل خشک شدن بیش از اندازه غشا توجیه نمود. واژه های کلیدی :پیل سوختی پلیمری، الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی، پارامتر های فرآیندی، ماکزیموم توانفهرست مطالبفصل اول: 11-1 پیش‌ گفتار 21-2 پیل سوختی چیست‌ ؟ 21-3 بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری 41-3-1 بهینه سازی پارامترهای فرآیندی 41-3-2 بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل 51-4 پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری 61-5 بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری 8فصل دوم: 112-1 تاریخچه مختصری از پیل‌های سوختی 122-2 انواع پیلهای سوختی : 152-2-1 پیل‌های سوختی آلکالینی 162-2-2 پیلهای سوختی پلیمری 162-2-3 پیل‌های سوختی اسید فسفریکی 162-2-4 پیل‌های سوختی کربنات مذاب 172-2-5 پیل‌های سوختی اکسید جامد 172- 3 طریقه عملکرد پیل سوختی پلیمری 172-4 اهمیت نیازمندی به پیل‌های سوختی 202-4-1 بازدهی بالا 202-4-2 تنظیم سیستم بر حسب نیاز 202-4-3 سازگاری با قوانین محیط زیست 202-4-4 انعطاف پذیری نسبت به سوخت 212-4-5 افزایش تولید و کاهش توزیع 212-4-6 عدم نیاز به تعمیر 212-4-7 عدم انتشار یا حداقل پراکندگی انرژی 212-4-8 سادگی ساختار 222-4-9 سایز و ابعاد کوچک 222-5 کاربردهای پیل سوختی 222-5-1 سیستم‌های قدرت 232-5-2 سیستم‌های حمل‌ونقل 242-5-3 سیستم‌های پرتابل 242-5-4 دستگاه‌های صوتی و تصویری 242-5-5 سیستم‌های نظامی 24فصل سوم: 253-1 مقدمه 263-2 پیدایش الگوریتم ژنتیک 273-3 الگوریتم ژنتیک 283-3-1 عملگرهای اصلی GA 293-3-1-1 روشهای کدگذاری 293-3-1-2 جمعیت اولیه 313-3-1-3 تابع برازندگی 323-3-1-4 انتخاب 323-3-1-4-1 انتخاب چرخ گردان  (RWS) 333-3-1-4-2 انتخاب رقابتی 343-3-1-5 ادغام 353-3-1-6 جهش 373-3-1-6-1  احتمال جهش )) 383-3-1-7 سایر عملگرهای ژنتیکی 383-3-2 الگوریتم ژنتیک با نخبه سالاری ساده 383-3-3 روشهای جایگزینی 393-3-4 معیار همگرایی 403-3-5 معیار عملکرد 413-3-6 تفاوت GA با روشهای مرسوم بهینه‌سازی ]21[ 413-3-7 نقاط قوت GA 423-3-8  نقاط ضعف GA 423-3-9 در چه مواقعی از GA استفاده میشود 433-3-10 کاربردهای GA 433-4 بهینه سازی پارامتر های فرآیندی پیل سوختی با استفاده از الگوریتم ژنتیک 443-4-1 استفاده از حل تحلیلی در الگوریتم ژنتیک حاضر 443-4-1-1 استفاده از آزمایشات عملی 453-4-1-2 استفاده از حلCFD 463-4-1-3 استفاده از حل تحلیلی 463-4-2 تعریف تابع برازندگی 473-4-3 برنامه نویسی در محیط Manuscript File نرم افزار MATLAB 483-4-4 استفاده از الگوریتم ژنتیک نخبه گرا 483-4-4-1 کدگذاری مقادیر پارامترها 483-4-4-2 انتخاب تعداد جمعیت اولیه و تعداد نسل ها 493-4-4-3 اعمال اپراتور پیوند و جهش در الگوریتم ژنتیک حاضر 503-4-5 استفاده از Lookup Table در محیط MATLAB Simulink 503-4-6 دلیل انتخاب 3 پارامتر حاضر جهت بهینه‌سازی 52فصل چهارم: 534-1 مدلسازی پیل سوختی پلیمری با استفاده از حل تحلیلی 544-1-1 مدلسازی کانال 544-1-2 مدلسازی MEA 554-1-3 متدولوژی حل معادلات 574-2 معتبر سازی مدلسازی با آزمایشات عملی 574-3 پارامترهای ثابت مدلسازی 61فصل پنجم: 625-1 مقادیر برازندگی های به دست آمده از حل تحلیلی 635-2 اجرای الگوریتم ژنتیک لینک شده با MATLAB Simulink 635-3 تاثیر دما بر عملکرد پیل سوختی 655-4 تاثیر فشار بر عملکرد پیل سوختی 665-5 اهمیت فشار آند نسبت به فشار کاتد 675-6 نمودارهای سه بعدی دما-فشار 70فصل ششم: 726-1 نتیجه گیری 736-2 پیشنهادات 74فهرست مراجع 75پیوست الف 78برنامه MATLAB لینک شده با MATLAB Simulink 78پیوست ب 84جداول Simulink و منحنی های دو بعدی و سه بعدی بیشینه توان 84  فهرست اشکالفهرست اشکال 11شکل (1-1) ایجاد جریان الکترسیته مستقیم از پیل سوختی در یک مرحله ]2[ 3شکل (2-1) روند توسعه پیل سوختی]  2[ 12شکل (2-2) پیل‌های سوختی در آپولو ] 2 [ 13شکل (2-3) خودرویی با سوخت هیدروژنی ]2[ 14شکل (2-4) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهانی ] 2 [ 15شکل (2-5) انواع پیل سوختی همراه با نوع واکنش و دمای کارکرد آنان ]2[ 18شکل (2-6) اساس عملکرد پیل سوختی پلیمری ]2[ 19شکل (2-7) مجموعه‌ای از کاربردهای مختلف پیل‌های سوختی ]2[ 23شکل (3-1) طبقه‌بندی کلی روش‌های بهینه‌سازی] 19[ 27شکل(3-2 ) نمودار گردشی الگوریتم ژنتیک 30شکل (3-3) انتخاب چرخ‌‌گردان 34(شکل 3-4) پیوند یک نقطه‌ای 36شکل (3-5) الگوریتم ژنتیک با بکارگیری مفهوم نخبه‌سالاری 40شکل (3-6) تعیین مقدار ماکزیموم بعنوان تابع برازندگی 47شکل (3-7) نمودارالگوریتم ژنتیک بکار گرفته شده در تحقیق حاضر 49شکل (3-8) بلوک دیاگرام مورد استفاده درفشار جزیی آند 5 بار 52شکل (4-1) روند حل معادلات پیل سوختی 57شکل (4-2) پیل سوختی و دستگاه تست پژوهشگاه دانشگاه 58شکل (4-3) مقایسه نتایج مدلسازی و آزمایشات عملی در دمای ثابت oC60 و فشار متغیر 59شکل (4-4) مقایسه نتایج مدلسازی و آزمایشات عملی در فشار ثابت 1 بار و دمای متغیر 60شکل (5-1) سرعت همگرایی الگوریتم ژنتیک لینک شده باMATLAB Simulink ُُُ 64شکل(5-2) ماکزیمم توان به ازای مقادیر مختلف فشار آند و کاتد. دمای کارکردی پیل ثابت و برابر دمای بهینه oC75 67شکل (5-3) ماکزیمم توان پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابرمقادیر بهینه 68شکل (5-4) منحنی های پلاریزاسیون پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه 68شکل (5-5) ماکزیمم توان پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشار کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه 69شکل (5-6) منحنی های پلاریزاسیون پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشارکاتد و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه 70شکل (5-7) ماکزیمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف آند. فشار کاتد ثابت و برابر فشار بهینه کاتد 71شکل (5-8) ماکزیمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف کاتد. فشار آند ثابت و برابر فشار بهینه آند 71شکل (ب-1) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5 بار 95شکل (ب-2) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار 96شکل (ب-3) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 4 بار 97شکل (ب-4) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار 98شکل (ب-5) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 3 بار 99شکل (ب-6) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار 100شکل (ب-7) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 2 بار 101فهرست جداولجدول (3-1) دامنه مقادیر در نظر گرفته شده برای پارامترها 49جدول (3-2) مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک 50جدول (4-1) مشخصات MEA مورد استفاده 58جدول (4-2) مقادیر پارامترهای هندسی و نرخ جریان ورودی در دو طرف 60جدول (4-3) مقادیر پارامترهای مدلسازی پیل سوختی پلیمری 61جدول (5-1) مقادیر بهینه به دست آمده از الگوریتم ژنتیک برای پارامتر های فرآیندی 64جدول (5-2) مقایسه مقادیر بهینه بدست آمده  با آزمایشات عملی سلیمان و همکارش ]1[ 65جدول (ب-1) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5 بار 85جدول (ب-2) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار 86جدول (ب-3) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 4 بار 87جدول (ب-4) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار 88جدول (ب-5) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 3 بار 89جدول (ب-6) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار 90جدول (ب-7) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 2 بار 91جدول (ب-8) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/1 بار 92جدول (ب-9) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 1 بار 93جدول (ب-10) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/0 بار 94لیست علائم و اختصارات سطح (cm2)غلضت مولی (mol cm-3)ضریب نفوذ (cm2 s-1)پتانسیل الکتریکی (V)ثابت فارادی (96,487 C mol-1)ارتفاع کانال (cm)چگالی جریان (A cm-2)چگالی جریان (A cm-2)چگالی جریان مرجع (A cm-2)قابلیت نفوذوزن مولکولی (kg mol-1)نرخ جریان مولی (kg cm-2 s-1)فشار (Pa)ثابت جهانی گازها (8.314 J mol-1 K-1)نرخ مصرف (mol s-1cm-2)دما (K)سرعت سیال در کانال (cm s-1)سرعت در راستای عمود بر صفحه غشا (cm s-1)ولتاژ سلول (V)مختصات راستای کانال (cm)، کسر مولیمختصات عمود بر صفحه غشا (cm)ضریب خالص انتقال آب، ضریب انتقال بارویسکوزیته گاز (kg m-1s-1)پتانسیل اتلافی (v)چگالی (kg m-3)ویسکوزیته سینماتیکی (cm2 s-1)بالا نویس شمارندهمقدار مرجعمقدار موثرزیر نویسکانالمقدار موثرسمت آندسمت کاتدهیدروژنآباکسیژنفعالحالت پایهکاهش اهمیکلیپخش آندپخش کاتداختصارات GA      الگوریتم ژنتیکMEA   مجموعه غشاCFD دینامیک سیالات محاسباتی

پیش‌ گفتار

دو مشکل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی که بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشکیل می‌دهند وجود دارد. مشکل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌که در آینده‌ای نزدیک این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی که کمپانی‌های نفتی ارائه کرده‌اند، 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 کاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.مشکل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشکل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن کلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در کره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق کشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشکل آلایندگی و آلودگی محیط زیست که شرایط زندگی را نابسامان خواهد کرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشکل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بکار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش کردند.هیدروژن یک انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاک با راندمان خروجی بالا، سبک و در دسترس است. یکی از خصوصیات ویژه آن، نوع کاربرد آن در فرآیند‌های الکترو‌شیمی است که می‌تواند در صورت کاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الکتریکی تولید کند که در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بکارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.تعداد صفحه :132قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید