:
یکی از پدیده­های انتقال حرارت، جابجایی آزاد یا طبیعی است. تغییر چگالی­ای که بواسطه­­ی گرادیان دما ایجاد می­شود منجر به جاری شدن سیال می­گردد. حرکت سیال در جابجایی آزاد در مجاورت یک سطح در نتیجه­ی نیروهای شناوری است که به واسطه­ی گرادیان دما  اعمالی بر سیال در نزدیکی سطح و تغییرات چگالی سیال می­باشد. نیروهای شناوری که موجب جریان­های جابجایی آزاد می­شوند را نیروهای حجمی[1] می­گویند. تاریخچه­ی تحقیقات اولیه­ی که این جریان را در نظر گرفتند، به یک صده قبل باز می­گردد. از آن زمان تاکنون داده­ها، روابط و تحلیل­هایی که بر این جریان حاکم می­باشند با رشد فوق­العاده­ی افزایش پیدا کرده­اند. علاقه­ی بی­شماری که بشریت به این پدیده نشان می­دهد، بازتاب نیاز فوق­العاده­ی است که بشر به این پدیده­ی جالب و حیاتی احساس می­کرده است. اهمیت و تنوعی که در بکارگیری این پدیده در صنعت و محیط اطراف به چشم می­آید، نشان بر کاربرد گسترده­ی این پدیده دارد. این پدیده گاه به تنهایی و گاه با ترکیب شدن با سایر پدیده­های انتقال در انتقال حرارت و جرم بکار گرفته شده است.
از طرفی با توجه به اینکه سیستم­های واقعی فیزیکی یا مسائل مهندسی که بواسطه­ی این پدیده ایجاد می­شوند به کمک معادلات پاره­ای توصیف می­شوند، در اکثر حالت­ها، حل بسته­ی[2] آن­ها فوق­العاده سخت است. بدین سبب، روش­های تقریبی عددی به صورت گسترده­ای برای حل این معادلات، مورد استفاده قرار می­گیرند. بیشترین روش­های عددی که برای حل این­گونه مسائل به کار گرفته می­شوند، روش­های المان محدو­د[3]، تفاضل محدود[4] و حجم محدود[5] می­باشد این سه روش جز روش­های مرتبه­ی پایین طبقه­بندی می­شوند. روش­های مرتبه­ی پایین برای بدست آوردن دقت کافی در محاسبات نیازمند تعداد گره­های محاسباتی بالایی هستند. در مسایلی که چند بعد محاسباتی دارد نیاز به ظرفیت محاسباتی بالا برای حفظ دقت محاسبات بیشتر نمود پیدا می­کند. بنابراین محققین تلاش­هایی به منظور دست­یابی به روش­هایی که با تعداد گره­های محاسباتی کم، منجر به نتایجی با دقت بالا گردند را آغاز کردند. از این روش­ها تحت عنوان روش­های مرتبه­ی بالا یاد می­شود. از جمله­ی ماحصل این تلاش­ها می­توان به روش­های طیفی[6] و مربعات دیفرانسیل[7] اشاره کرد. همان­گونه که گفته شد یکی از مزایای این روش دست­یابی به دقت محاسباتی مناسب در عین کم بودن تعداد گره­های محاسباتی است.

روش مربعات دیفرانسیل برای اولین بار توسط ریچارد بلمن و همکارنش در اوایل دهه­ی 70 میلادی به کار گرفته شده است. روش مربعات دیفرانسیل برگرفته شده از روش انتگرال­گیری مربعی[8] می­باشد. در این روش مقدار مشتق تابع در هر نقطه را با استفاده از مجموع حاصل­ضرب مقادیر تابع در مقادیر وزنی مرتبط در طول راستای مورد نظر تقریب می­زنند. نکته­ی کلیدی در بکار بردن این روش، تعیین ضرایب وزنی است. بدلیل محدودیت­هایی که در اعمال روش­های اولیه­ی تعیین ضرایب وزنی وجود داشت، این روش تا سال­های متمادی کمتر مورد استفاده قرار گرفت. تا این­که پژوهش­هایی که محققین در اواخر دهه­ی80 و اوایل دهه­ی 90 به منظور پیدا کردن ضرایب وزنی ساده­تر انجام دادند، منجر به معرفی این روش به عنوان ابزار عددی قدرتمندی در دو دهه­ی اخیر شد.
با افزایش استفاده از این روش در سالیان اخیر محققین بنا به نیازی که احساس می­کردند، روش­های دیگری را از روش مربعات دیفرانسیل استخراج کردند که یکی از این روش­ها مربعات دیفرانسیل تکه­ای[9] است. این روش در مسایلی که تغییرات گرادیان متغییری شدید و یا در مسایلی با شرایط مرزی متغیر، کارایی بالایی دارد. ایده­ی روش مربعات دیفرانسیل تکه­ای در سال 2006 در مدل­سازی امواج در آب­های کم عمق بکار گرفته شد. اصول این روش بر پایه­ی تکه تکه کردن دامنه­ی محاسباتی بر زیر دامنه­ها و اعمال روش مربعات دیفرانسیل بر هر زیر دامنه است.
در این پایان نامه جریان جابجایی آزاد گذرا حول کره با ترکیب دو روش مربعات دیفرانسیل و مربعات دیفرانسیل تکه­ای مورد بررسی قرار گرفته شده است.
2.1-  مروری بر کارهای گذشته:
جابجایی آزاد بدلیل کاربرد گسترده­ی که در صنعت و در محیط پیرامون بشر دارد بسیار مورد توجه قرار گرفته است. از طرفی با توجه به معادلات پاره­ای حاکم بر این پدیده و مشکل بودن ارایه­ی یک حل تحلیلی برای معادلات حاکم بر این جریان، بشر مجبور به استفاده از روش­های عددی برای حل این جریان شده است. از طرفی، حل عددی معادلات حاکم بر جابجایی آزاد دارای پیچیدگی­هایی است. علت این امر وابسته بودن معادله­ی مومنتم به معادله­ی انرژی از طریق نیروی بویانسی است و بنابراین می­بایست معادله­ی انرژی و مومنتم باید همزمان حل شوند. از طرفی یکی از عوامل اثر گذار در پیچیده­تر شدن معادلات هندسه­ی است که جریان بر روی بررسی می­شود. به عنوان مثال جریان بر روی کره نسبت به جریان برروی هندسه­های چون صفحات اعم از افقی، عمودی یا مایل و حتی استوانه­های با همین وضعیت پیچیده­تر می­باشد.
در ادامه تعدادی از تحقیقاتی که جریان بر روی هندسه­هایی چون کره را بررسی کرده­اند، معرفی می­شوند. گارنر و گرفتن ]1[ به بررسی اثر انتقال جرم بر روی کره­ی غیر متخلخل پرداختند. آماتو و چی ]2[ به بررسی اثر جابجایی آزاد اطراف کره­ی غوطه­ور در آب پرداختند. برومهام و میهو]3[ جریان جابجایی آزاد هوا را بر روی کره بررسی کردند.  گیولا و کورنیش ]4[ با استفاده از روش عددی تفاضل محدود[10] به بررسی جریان و انتقال حرارت اطراف کره پرداختند. سینگاه و حسن ]5[ به بررسی جریان جابجایی آزاد در اطراف کره با گراشف­های پایین پرداختند.  هیوانگ و چن ]6[با استفاده از روش عددی تفاضل محدود اثر مکش و دمش بر روی کره را بررسی کردند. چن و چن ]7[جریان جابجایی آزاد سیال غیرنیوتنی اطراف کره و استوانه با استفاده از روش رانگ کوتا[11] مرتبه­ی چهار مورد مطالعه قرار دادند. جعفرپور و یووانوویچ  ]8[ با استفاده از سری­ها یک حل نیمه تحلیلی برای جریان جابجایی آزاد بر روی کره­ی همدما ارایه دادند. جیا و گوگس ]9[ جریان جابجایی آزاد اطراف کره­ی همدما را بررسی کردند. نظر و همکاران ]10[جریان جابجایی آزاد سیال میکروپولار[12] در اطراف کره با شار ثابت مطالعه کردند. ایشان با استفاده روش عددی کلرباکس[13] به حل این مساله پرداختند. نظر و همکاران ]11[ در ادامه کار قبل جریان جابجایی آزاد سیال میکروپولار در اطراف کره­ی همدما با استفاده از همان روش قبل بررسی کردند. مولا و همکاران ]12[ به بررسی اثر تولید حرارت بر جریان جابجایی آزاد در میدان مغناطیسی اطراف کره پرداختند. چنگ ]13[ انتقال حرارت و انتقال جرم جریان جابجایی آزاد اطراف کره­ در مجاورت سیال میکروپولار را با استفاده از روش جمع­آوری اسپیلاین مکعبی[14]  بررسی کرد. بگ و همکاران ]14[ به بررسی اثر جذب و تولید حرارت بر جابجایی آزاد اطراف کره درون میدان مغناطیسی که در محیط متخلخلی قرار دارد، پرداخته­اند.
تمامی تحقیقات بیان شده، جریان جابجایی آزاد اطراف کره در حالت دایم را بررسی کرده­اند. با توجه به اهمیت جریان در مدت زمانی که جریان به حالت دایم برسد و واقعی­تر بودن جریان گذرا این جریان مورد توجه پژوهشگرانی واقع شد. از جمله تحقیقاتی عددی یا آزمایشگاهی که جریان خارجی گذرا بر روی هندسه­های مختلف بررسی کرده­اند، می­توان به کارهای ]15-23[ اشاره کرد. از جمله پژوهش­هایی که به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف هندسه­هایی همچون کره پرداخته­اند می­توان به کارهای پژوهشگران زیر اشاره کرد. اینگهام و همکاران ]24[ به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف سطوح همدمای سه بعدی در گراشف­های بالا پرداختند. یان و همکاران ]25[ به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف کره در محیط متخلخل دارسی پرداختند و از روش تفاضل محدود برای مدلسازی خود استفاده کردند. سانو و مکینزو ]26[  جریان جابجایی گذرا را اطراف کره در محیط متخلخل در پکلت­های پایین بررسی کردند.  تخر و همکاران ]27[  به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف کره­ی چرخنده در سیال پرداختند و برای حل این مساله از تفاضل محدود کمک گرفتند. سلوتی و همکاران ]28[ به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف نقطه­ی سکون جسم سه بعدی که توسط سیالی خنک می­گردد، پرداختند. نیازمند و رینکسیزبولیت ]29[ به بررسی اثر دمش بر روی کره­ی چرخنده در سیال پرداختند. آنان از حجم محدود برای حل مساله­ی مذکور استفاده کردند. چن ]30[ به بررسی جابجایی آزاد گذرا در مابین کره­ی هم مرکز و خارج از مرکز با استفاده از روش تفاضل محدود پرداخت. سم اس و ازترک ]31[ به مدلسازی جریان جابجایی اجباری اطراف قطرات سوخت در حالت گذرا پرداختند. ایشان در این مدلسازی قطرات را با کره­های همدما مدل کردند و با کمک سری­ها این مساله را حل کردند. ینگ و همکارن ]32[ به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف کره­ی همدما پرداختند، ایشان برای حل این مساله از روش حجم محدود استفاده کردند. سایتو و همکاران ]33[  به بررسی جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف کره  با شار ثابت پرداختند و از روش حجم محدود برای مدلسازی استفاده کردند. ژو و همکاران ]34[ با استفاده از روش هام[15] به ارایه­ی جوابی نیمه تحلیلی برای برای جریان جابجایی آزاد گذرا اطراف سطوح خمیده­ی سه­بعدی پرداخته­اند.
از طرفی اثر جریان جابجایی آزاد تحت میدان مغناطیسی مورد توجه پژوهش­های بسیاری با گرایش ژیوفیزیک واخترفیزیک شده است. چنین مساله­ی در بررسی فرمول­های ژیوفیزیکی، اکتشاف و استحصال نفت، مراکز نگهداری زباله­های زیر زمینی و … می­باشد. از طرفی جریان­های مگنتوهیدرودینامیک[16] در مسایل مهندسی مثل سرمایش ژنراتورها، طراحی مبدل­های حرارتی، سرمایش راکتورهای هسته­ی با سدیم مایع، جریان سنج­های القایی که بر اساس تفاضل پتانسیلی عمود بر جهت حرکت جریان در سیال و میدان مغناطیسی کار می­کنند،کاربرد دارند. پژوهشگران ]35-38[ از جمله پژوهشگرانی هستند که اثر میدان مغناطیسی بر جریان دایم روی هندسه های مختلف را بررسی کرده­اند. در زمینه­ اثر میدان مغناطیسی بر جابجایی آزاد گذرا می­توان به کار­های زیر اشاره کرد. هلمی]39[ به مطالعه­ی جریان جابجایی آزاد گذرا در محیط متخلخل بر روی صفحه­ی عمودی با دمای ثابت با استفاده از روش تفاضل محدود پرداخت. تخر ]40[  به مطالعه جریان جابجایی مرکب بر روی مخروط چرخنده با سرعت زاویه­ی متناسب با زمان در حضور میدان مغناطیسی پرداخت. وی از تفاضل محدود برای حل عددی خویش استفاده کرد. گانسن و پلانی ]41[  جریان جابجایی آزاد بر روی صفحه­ی نیمه بی نهایت عمودی درمیدان مغناطیسی را با استفاده از تفاضل محدود بررسی کردند. گانسن و پلانی ]42[ مساله انتقال حرارت و انتقال جرم جریان جابجایی آزاد گذرنده از روی یک صفحه­ی شیبدار با استفاده از تفاضل محدود را بررسی کردند. روی و انیکامور ]43[ به بررسی جابجایی مرکب گذرا از مخروط دوار که سرعت زاویه­ی آن متناسب با زمان تغییر می­کند، پرداختند و در این حل از روش عددی تفاضل محدود کمک گرفتند. جردن ]44[ اثر اتلافات ویسکوز و تشعشع بر جریان جابجایی آزاد گذرا از روی صفحه­ی نیمه بی­نهایت عمودی مورد مطالعه قرار داد. وی از روش شبیه­سازی شبکه[17] استفاده کرد. ژو و همکاران ]45[ جریان و انتقال حرارت گذرای درون لایه­ی مرزی سیال بر روی صفحه­ی تحت میدان مغناطیسی بررسی کردند. ایشان با استفاده از روش هام برای ارایه­ی یک حل نیمه تحلیلی در رابطه با این مساله کمک گرفتند. الکبیر و همکاران ]46[ به بررسی جریان جابجایی آزاد از روی سطح شیب­دار درمحیط متخلخل تحت میدان مغناطیسی با استفاده از تحلیل لای گروپ[18] که یک روش نیمه تحلیلی برای حل معادلات پاره­ی است، پرداختند. دیناروند و همکاران ]47[ اثر نیروی بویانسی و میدان مغناطیسی را بر جریان گذرای لایه­ی لزج اطراف نقطه­ی سکون کره­ی چرخنده بررسی کردند. ایشان از روش هام برای حل این مساله کمک گرفتند.
اثر تولید حرارت در جریان سیال دارای حرکت در  برخی از فرایندهای فیزیکی از اهمیت شایانی برخوردار است که از آن جمله می توان به فرایندهای که حاوی واکنش های شیمیایی می باشند اشاره کرد. این اثر بر روی توزیع دما و نرخ ته نشینی ذرات اثر می­گذارد. که کاربرد این اثر را می­توان در کاربردهای مرتبط با راکتورهای هسته­ای، مدلسازی احتراق، چیپ­های الکترونیکی و… مشاهده کرد. واجراولو و هاجینیکلو ]48[ اثر اتلافات ویسکوز و تولید حرارت داخلی بر انتقال حرارت درون لایه­ی مرزی دایم بر روی صفحه­ی بی­نهایت را مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق ایشان نرخ انتقال حرارت حجمی را به صورت تابع خطی با دما تقریب زدند.