فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال سی و سوم شماره 2 (زمستان 1393)

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال سی و سوم شماره 2 (زمستان 1393)

  • تاریخ انتشار: 1394/03/25
  • تعداد عناوین: 10
|
  • بهبود روش انتگرال گیری در روش بدون المان گالرکین با کمک میان یابی کریگینگ
    حسین دیباجیان، محمود فرزین، حمید هاشم الحسینی، محمد گندمکار صفحات 1-18
    در این مقاله انتگرال گیری عددی مورد نیاز در روش بدون المان گالرکین با کمک روش میان یابی کریگینگ بهبود یافته است. در روش ارائه شده، تابع انتگرال ده با رویه تولید شده توسط کریگینگ ساده جایگزین شده و سپس وزن نقاط انتگرال گیری محاسبه می شود. با توجه به اینکه سطح تولید شده توسط میان یابی کریگینگ با کمک ابر نقاط و بدون نیاز به شبکه تولید می گردد، بنابراین وزن نقاط انتگرال گیری در کل دامنه در یک مرحله و بدون نیاز به المان محاسبه می گردد. اگر چه در ظاهر می توان فرآیند بیان شده را با روش های دیگر میان یابی بدون شبکه انجام داد، ولی به دلیل سادگی روش کریگینگ، استفاده از این میان یابی ساده تر و عملی تر خواهد بود. از طرف دیگر به دلیل ویژگی خاص روش کریگینگ، در این مقاله از توابع میان یاب کریگینگ برای بیان توابع شکل نیز استفاده می شود که به دلیل ارضاء شرط دلتای کرونیکر، وارد کردن شرایط مرزی ضروری به سادگی صورت می گیرد. روش حاضر در مسائل الاستواستاتیک دوبعدی استفاده شده و کارایی روش نشان داده شده است.
    کلیدواژگان: روش بدون المان گالرکین، انتگرالگیری عددی، روش میانیابی کریگینگ، روش های بدون المان
  • محسن راشکی، محمود میری، مهدی اژدری مقدم صفحات 19-36
    در مقاله حاضر با استفاده از خصوصیات آماری متغیرها در نقطه طراحی و مود، روش جدیدی جهت رتبه بندی متغیرهای تصادفی در فضای اصلی ارائه شده است. در این روش نیاز به مشتق گیری از تابع شرایط حدی برطرف شده و روش تنها نیازمند در اختیار داشتن مختصات نقطه طراحی است. همچنین به منظور تعیین نقطه طراحی در فضای اصلی، الگوریتمی با استفاده از یک روش وزنی و روش اجتماع ذرات ارائه شده است که امکان تعیین نقطه طراحی را بدون استفاده از نگاشت و با دقت بالا فراهم می سازد. توانایی و دقت روش با حل چندین مساله عددی و مهندسی مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه نتایج با جواب دقیق هر مساله بیانگر کارایی روش ارائه شده در حل مسائل مختلف مهندسی است.
    کلیدواژگان: قابلیت اطمینان، متغیر تصادفی، رتبه بندی، نقطه طراحی
  • سید حسین قریشی نجف آبادی صفحات 37-48
    هنگامی که رودخانه مقادیر قابل توجهی از ذرات رسوب را حمل می کند، طرح یک حوضچه ترسیب در ابتدای آبگیر ضروری می باشد. در تحقیق حاضر یک مدل عددی سه بعدی به منظور شبیه سازی فرایند رسوب گذاری در حوضچه های ترسیب توسعه داده شده است. معادلات متوسط گیری شده زمانی ناویراستوکس (معادلات رینولدز) بعنوان معادلات حاکم جریان، معادله انتقال-پخش غلظت رسوبات برای شبیه سازی بارمعلق و معادله وان راین به عنوان باربستر برای تمامی سلول های بستر به عنوان شرایط مرزی کف استفاده شده است. روش مورد استفاده برای حل عددی مجموعه معادلات جریان، روش حجم محدود در مکان و روش اختلاف محدود در زمان می باشد. برای فرایند جداسازی فشار، از الگوریتم MAC بهره گرفته شد. برای گسسته سازی معادله انتقال-پخش رسوب نیز روش حجم محدود مورد استفاده قرار گرفت. نتایج حاصله با مدل های فیزیکی مختلف، مورد مقایسه و صحت سنجی قرار گرفت که نتایج بسیار خوبی بدست داد. سپس مدل عددی در حوضچه ترسیب نکوآباد به عنوان مطالعه موردی باموفقیت به کار گرفته شد.
    کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، رسوبگذاری، حوضچه های ترسیب
  • شبیه سازی عددی اختلاط درون کانال با استفاده از یک استوانه ی دوار
    رضا جعفری، محسن ثقفیان صفحات 49-68
    در کار حاضر اختلاط دو نمونه به وسیله ی یک استوانه دوار محبوس درون یک کانال با استفاده از روش برهم نهادن شبکه ها مورد بررسی قرار می گیرد و تاثیر تغییرات عدد رینولدز، سرعت دورانی استوانه و نسبت انسداد بر ساختار جریان، گردابه ها و مکانیزم اختلاط مطالعه می شود. شبیه سازی های عددی در اعداد رینولدز 10، 70 و 100، سرعت های دورانی بدون بعد 0، 1 و 2، نسبت های انسداد 1/0، 3/0 و 5/0 و اعداد اشمیت 1 و 4 انجام گرفته است. در جریان ناپایای عبوری از روی استوانه محبوس درون کانال، الگوی ریزش گردابه ها متفاوت با الگویی است که در جریان آزاد عبوری از روی استوانه مشاهده می شود و گردابه ها در پشت استوانه به-صورت ضربدری حرکت می کنند. ریزش گردابه ها از استوانه، اختلاط نمونه ها درون کانال را بهتر می کند. ریزش گردابه ها در پشت استوانه با دوران استوانه تضعیف می شود. نتایج نشان می دهد که با افزایش نسبت انسداد، شاخص اختلاط در نزدیکی خروجی کانال کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: استوانه دوار، کانال، برهمنهی شبکه ها، ریزش گردابه، اختلاط
  • ابراهیم افشاری، سیدعلی اطیابی، محمدحسین خیام صفحات 69-86
    عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری به شدت وابسته به طراحی صفحات قطبی و میدان جریان ایجاد شده در این صفحات است و طراحی مناسب آنها منجر به توزیع مناسب گازهای واکنشگر و دانسیته جریان، مدیریت مناسب آب و حرارت و بهبود عملکرد پیل سوختی می شود. بدین منظور در این مقاله، استفاده از یک میدان جریان جدید به صورت میدان جریان لانه زنبوری با پین های شش وجهی به جای کانال های متداول، پیشنهاد شده است. با ارائه یک مدل سه بعدی، معادلات پیوستگی، مومنتم، بقا اجزا انرژی و بار الکتریکی به همراه روابط سینتیک الکتروشیمیایی در نواحی مختلف پیل سوختی به صورت هم بسته، با یک مدل تک ناحیه ای و به روش عددی حل شده اند و تاثیر میدان جریان لانه زنبوری بر انتقال و توزیع اکسیژن، انتقال آب، توزیع دانسیته جریان، افت فشار و عملکرد پیل سوختی بررسی شده است. ملاک طرح ارائه شده، توزیع یکنواخت گازهای واکنشگر و دانسیته جریان در لایه پخش گاز و لایه کاتالیست کاتد و همچنین ولتاژ و دانسیته توان بالاتر همراه با یک افت فشار نه چندان زیاد (25 کیلو پاسکال) است. نتایج نشان می دهند که در پیل با میدان جریان لانه زنبوری، سرعت در ناحیه پین ها تا ده برابر افزایش یافته است که باعث انتقال بیشتر اکسیژن به لایه کاتالیست شده و به دلیل توزیع و شکل مناسب پین ها، توزیع یکنواخت اکسیژن و دانسیته توان را در پی دارد.
    کلیدواژگان: پیل سوختی غشاء پلیمری، میدان جریان لانه زنبوری، پین های شش گوش، انتقال اکسیژن، توزیع یکنواخت اکسیژن
  • محمد جواد آبروی، سعید مرتضوی صفحات 87-96
    تاثیر عدد رینولدز و زاویه شیب سطح بر رفتار قطرات معلق در جریان روی سطح شیب دار در نسبت های چسبندگی بالا برای اعداد رینولدز غیر صفر به صورت عددی مطالعه شده است. جریان بر روی سطح شیب دار تنها به دلیل شتاب گرانش وجود دارد و هیچ گونه گرادیان فشاری در راستای جریان وجود ندارد. مطالعات انجام شده حاکی از آن است که با افزایش عدد رینولدز قطراتی که نزدیک کف کانال یا سطح آزاد هستند به سمت مرکز کانال مهاجرت می کنند و فاصله تعادلی قطرات از دیواره کانال افزایش می یابد. انرژی اغتشاشی نیز افزایش می یابد. افزایش زاویه شیب سطح نسبت به افق تاثیر مشابه افزایش عدد رینولدز دارد. با افزایش زاویه شیب سطح نسبت به افق، قطرات نزدیک کف کانال یا سطح آزاد به سمت مرکز کانال مهاجرت می کنند، فاصله تعادلی قطرات از دیواره کانال افزایش می یابد و انرژی اغتشاشی نیز افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: قطره، عدد رینولدز، زاویه سطح شیب دار، انرژی اغتشاشی، مکان تعادلی
  • سعید شیروانی شاه عنایتی، اکبر جعفری صفحات 97-113
    در این تحقیق، از رویکرد کلی مکانیک محیط پیوسته به منظور مدل سازی رفتار کمانش نانوصفحات استفاده می شود. در این راستا انواع تئوری های ساختاری شامل فرم کاهیده تئوری غیرمحلی ارینگن، تئوری گرادیان کرنش مرتبه دو، تئوری گرادیان ضمنی و تئوری زوج تنش در مدل سازی گرافن به کار گرفته می شوند. افزون بر روش گالرکین، که در اینجا به عنوان ابزار اصلی برای حل معادلات به کار رفته، از روش المان محدود و ناویر نیز به منظور مقایسه و اعتبارسنجی نتایج در موارد خاص استفاده می شود. تفاوت های نتایج اعمال تئوری های مختلف، بررسی و پیرامون قابلیت هر یک از تئوری های مذکور برای مدل سازی نانو-صفحه ها بحث می گردد. در بخش تحلیل عددی، تاثیر متغیرهای مختلفی شامل ضریب اندازه، ابعاد نانوصفحه و شرایط مرزی بر روی رفتار کمانش نانوصفحه مورد بررسی قرار می گیرد.
    کلیدواژگان: گرافین، کمانش، الاستیسیته غیرمحلی، گرادیان کرنش، زوج تنش
  • بیژن محمدی، محسن مبارکیان صفحات 115-129
    در این تحقیق اثر متقابل ترک ماتریسی، جدایی بین لایه ای و میدان تنش ناهمگن الیاف و رزین بر روی خواص مکانیکی شکست مود اول کامپوزیت های لایه ای در نمونه DCB بررسی شده است. به نظر می رسد که مهمترین عامل اختلاف نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی کامپوزیت های چندجهته با تک جهته، تفاوت در نوع مکانیزم خرابی و یا میدان تنش ناهمگن است. یکی از مهمترین مکانیزم های خرابی در کامپوزیت های چندجهته، ترک ماتریسی است. در این تحقیق جهت شبیه سازی ترک ماتریسی و جدایی بین لایه ای از المان های واسط چسبنده در فواصل مشخص استفاده شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که شبیه سازی توام ترک ماتریسی موجب افزایش حدود 15 درصد و مدل سازی ناهمگن باعث افزایش حدود 26 درصد در نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی مود اول می شود.
    کلیدواژگان: نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی، ترک ماتریسی، میدان تنش ناهمگن، چندلای ه های کامپوزیتی، آزمایش
  • آرش شادلاقانی، شهریار منصورزاده، محمد علی بدری صفحات 131-145
    چکیده تعیین نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر شناور، اولین مرحله در طراحی شناورهای زیرسطحی است. نیروهای هیدرودینامیکی برحسب ضرایب هیدرودینامیکی بیان می گردند. در این مقاله روشی جهت تعیین ضرایب هیدرودینامیک غیر خطی میرایی شرح داده شده است. در این روش از محاسبه تغییرات ضرایب درگ و لیفت با زاویه حمله و انحراف جهت تعیین ضرایب میرایی استفاده شده است. روش ذکر شده، برای تعیین ضرایب میرایی زیردریایی سابوف نیز به کار رفته است. در این مقاله همچنین از روشی جدید جهت تعیین ضرایب خطی جرم افزوده در راستاهای طولی و عرضی زیردریایی استفاده شده است. جهت اثبات کارایی این روش، نتایج به دست آمده با نتایج مشخص موجود برای ضریب جرم افزوده یک کره مقایسه شده است. نتایج شبیه سازی عددی با نتایج موجود تجربی برای زیردریایی همخوانی خوبی دارد.
    کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، ضرایب هیدرودینامیک، ضریب میرایی، جرم افزوده، نرم افزار انسیس، سی اف ایکس
  • محمود مهرداد شکریه، حمیدرضا جراح، محمد حیدری رارانی صفحات 147-156
    در این مقاله اثر چیدمان لایه ها بر توزیع نرخ رهایی انرژی کرنشی در قطعه خمشی با ترک انتهایی (ENF) به صورت عددی بررسی شده است. ابتدا نمونه ENF در نرم افزار المان محدود ABAQUS به صورت سه بعدی مدل سازی شده و سپس مود دوم نرخ رهایی انرژی کرنشی (GII) با استفاده از روش مجازی بسته شدن ترک (VCCT) در امتداد پیشانی تورق محاسبه شده است. نتایج عددی به ازای لایه چینی های مختلف نشان می دهد که کمیت غیر یکنواختی معرفی شده توسط محققان دیگر که فقط تابعی از سفتی های خمشی است، برای بررسی تغییرات GII در امتداد پیشانی تورق کفایت نمی کند. لذا کمیت جدیدی که تابعی از سفتی های خمشی و کششی نمونه ENF متقارن است ارائه شده است. همچنین روشی برای محاسبه مود دوم نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی در نمونه های ENF چند جهته متقارن با ترک بین دولایه صفر درجه با استفاده از روش لایه چینی معادل ارائه شده است. در واقع در این روش، هر چیدمان چند جهته دلخواه با یک چیدمان تک جهته که دارای ضخامتی متفاوت با قطعه اصلی می باشد، معادل سازی می شود.
    کلیدواژگان: مود دوم تورق، قطعه ENF، نرخ رهایی انرژی کرنشی، مدل سازی المان محدود، لایه چینی معادل
|
  • Improvement of Integration in Element Free Galerkin Method using Kriging Interpolation
    S. H. Dibajian, M. Farzin, S. H. Hashemolhoseini, M. Gandomkar Pages 1-18
    In this paper, the numerical integration needed in the element free Galerkin method is improved, using Kriging interpolation. In the presented method, integrand is replaced by a surface which is produced by simple Kriging. Then the weights of integration points are calculated. Since the surface produced by simple Kriging is obtained by cloud of points and without back ground mesh, the weights of integration points are calculated in one step in the whole domain and without any element. Although any mesh free interpolation approach can be used in this procedure, simple Kriging is easier and more applicable. On the other hand, Kriging method is used for construction of shape functions. Hence, due to the satisfaction of Kroneker delta, essential BC can be easily implemented. The present method is used in 2-D elasto-static problems and effectiveness is proven.
    Keywords: Element free Galerkin method, numerical integration, Kriging interpolation method, element free methods
  • M. Rashki, M. Miri*, M. Azhdary Moghaddam Pages 19-36
    In the present study, by employing the statistical properties of random variables at design point and mode a new method is presented to rank random variables in original space. This method obviates the need for derivation from limit state function and just needs to know the coordinate of design point. Also, in order to determine design point in the original space, an algorithm based on a weighted method and particle swarm optimization method is presented providing the possibility ofdetermining design point accurately without mapping. Robustness and accuracy of the proposed methods is evaluated by solving some numerical and engineering problems. The obtained results compared with exact solutions confirm the efficiency of the proposed methods for solving various engineering problems.
    Keywords: Reliability, random variable, ranking, design point
  • S. H. Ghoreishi Najafabadi* Pages 37-48
    When high concentration of sediment is carried by the river, a settling basin design is required at the intake. In the present research, a three-dimensional numerical model was developed to simulate settling basin sedimentation. For the simulation, time averaged Navier-Stokes equations (RANS) as flow governing equations, convection-diffusion equation for suspended sediment concentration, and Van-Rijn bed load equation for boundary condition in the bed were used. Numerical solutions of the flow governing equations were suggested to be finite volume spatially and finite difference temporally. Decoupling procedure of the pressure was derived from MAC. Finite volume method was applied to discretise the convectiondiffusion equation for the suspended sediment equation. The predicted results proved comparable with the observed experimental data. Thereafter, the model was successfully applied to a real case study in Nekoabad settling basin.
    Keywords: Numerical simulation, sedimentation, settling basins
  • Numerical Simulation of Mixing Induced by a Rotating Cylinder in Channel
    R. Jafari*, M. Saghafian Pages 49-68
    In the present work, mixing of two species induced by a rotating cylinder confined in a channel is investigated using overset grid method and the effect of variation of Reynolds number, rotational velocity of the cylinder and blockage ratio on the structure of flow and wakes and mixing mechanism is studied. Numerical simulations are performed at Reynolds numbers of 10, 70 and 100, non dimensional rotational rates of 0, 1 and 2, blockage ratios of 0.1, 0.3 and 0.5 and Schmidt numbers of 1 and 4. In unsteady flow past a circular cylinder confined in a channel, the pattern of shed vortices is different from that observed in free stream flow past a cylinder and the vortices behind the cylinder moves criss-cross. The vortex shedding from the cylinder enhances mixing of species in channel. The vortex shedding behind the cylinder is weakened by rotation of the cylinder. The results show that as blockage ratio increases, mixing index near the exit of the channel decreases.
    Keywords: Rotating cylinder, channel, overset grids, vortex shedding, mixing
  • E. Afshari, S. A. Atyabi, M. H. Khayyam, M. Adami Pages 69-86
    Proton exchange membrane (PEM) fuel cell performance is directly related to the bipolar plates design and their flow field. The bipolar plate design plays a significant role in the reactant and current density distributions, and water and heat, management in a PEM fuel cell, thereby improving the cell performance. In this study, a novel configuration of flow field in the bipolar plate, a honeycomb flow field, is proposed, where the flow-field network is formed by many hexagonal pins arranged in a regular pattern. A set of governing equations, conservation of mass, momentum, species, energy and charge, as well as electrochemical kinetic for all regions of fuel cell are considered and developed numerically while the model is treated as a singledomain by presenting a three-dimensional model. Through this model, the effects of honeycomb flow field on the oxygen transport, oxygen and current density distributions, water transport, pressure drop across the channel and PEM fuel cell performance are investigated. The main design criteria in this research are based on more oxygen and current density distribution uniformity, higher voltage, power density output, and low pressure drop. The results reveal that in the PEM fuel cell with honeycomb flow field, an enhancement in the oxygen transport, uniform oxygen and current density distribution, higher voltage and power density output at the catalyst surface, especially at the positions right beneath the locations of pins occurrs although the pressure drop across the channel increases.
    Keywords: PEM fuel cell, honeycombflow field, hexagonal pins, oxygen transport, uniform oxygen distribution
  • M. J. Aberuee, S. Mortazavi Pages 87-96
    The effect of Reynolds number and inclination angle on the behavior of drops suspended on an inclined surface at high viscosity ratio is studied by numerical simulations at non-zero Reynolds number. The flow is driven by the acceleration from gravity without any pressure gradient in the flow direction. It is found that by increasing Reynolds number, drops close to the floor or close to the free surface move to the center of channel and the equilibrium position moves away from the channel floor, increasing the fluctuation energy as well. The same trend is observed when the inclination angle with respect to horizontal direction increases. That is, when the inclination angle of the channel with respect to horizontal direction increases, drops close to the floor or close to the free surface move to center of the channel. The equilibrium position moves away from the channelfloor and fluctuation energy increases.
    Keywords: Drop, Reynolds number, inclination angle, fluctuation energy, equilibrium position
  • S. Shirvani Shahenayati*, A. Jafari Pages 97-113
    The approach of continuum mechanics is employed for modeling single layer nanoplates in order to study their buckling behavior. In this regard, different constitutive equations including differential non-local, second order strain gradient, implicit gradient, and modified couple stress theories are employed to develop the buckling governing equations of Graphene Sheets. In the numerical study, the effects of a few variables including size effect parameter, nanoplate size, and boundary conditions on the buckling behavior are investigated.
    Keywords: Graphene sheet, buckling, non, local elasticity, strain gradient, couple stress
  • B. Mohammadi*, M. Mobarakian Pages 115-129
    In this study, a computational study was carried out on the interaction between matrix cracking and delamination. The study also investigated in homogeneous simulation of fiber and matrix of 90o ply in front of delamination and their effects on the fracture properties of the double cantilever beam (DCB) test specimens prepared by cross ply laminates. It seems that the most important cause of the difference between mode-I critical strain energy release rate (GIc) of multidirectional (MD) laminates and that of unidirectional (UD) laminates is due to the difference in damage mechanisms. One of the most important kinds of damage mechanisms in MD laminates is matrix cracking. For simulation and prediction of matrix cracking and delamination, preexisting cohesive elements were used. The results indicated that simultaneous simulation of matrix cracking and delamination can predict a 15-percent increase in the GIc of MD laminates. Another cause of the difference in GIc might be nonuniform stress field resulting form fiber and matrix in delaminated front. In homogeneous simulation of 90o ply can cause a 26-percent increase in the GIc of MD rather than UD laminates.
    Keywords: Critical energy release rate, matrix cracking, nonuniform stress field, composites Lay, up, DCB test
  • A. Shadlaghani, Sh. Mansourzadeh, M.A. Badri Pages 131-145
    Estimation of hydrodynamic forces is the first step in the design of submersibles. The hydrodynamic forces are expressed in terms of hydrodynamic coefficients. In this paper, to calculate the damping coefficients a method based on calculation of variation of the Drag and Lift coefficients with angles of attack and drift is described. The method is used to calculate the damping hydrodynamics of the Suboff submarine. A new method is also described in order to calculate the linear added mass coefficients of the submarine in axial and lateral directions. The method is validated by comparing its results with the known results for the added mass coefficient of a sphere. The numerical results agree well with the available experimental results of the submarine.
    Keywords: Computational fluid dynamics, hydrodynamics coefficients, damping coefficients, added mass coefficient, ANSYSCFX
  • M. M. Shokrieh, H. Jarrah, M. Heidari, Rarani Pages 147-156
    In this paper, the effect of stacking sequence on strain energy release rate (SERR) distribution is numerically investigated in the laminated end notch flexure (ENF) specimens. ENF specimens are three-dimensionally modeled in finite element software ABAQUS, and strain energy release rate is calculated by virtual crack closure technique (VCCT). Numericalresults for different lay-ups showed that the available non-uniformity ratio in the literature only depends on bending moduli and does not consider the effects of other moduli. Therefore, a new parameter which is dependent on both flexural and extensional moduli is proposed for symmetric ENF specimens. Finally, a method for estimation of critical SERR in multidirectional ENF specimens is introduced based on the equivalent layup approach. In fact, each multidirectional laminate is simplified by an equivalent unidirectional laminate so that both layups have the same flexural rigidities.
    Keywords: Mode II delamination, ENF specimen, strain energy release rate, finite element modeling, equivalent layup