فهرست مطالب
مجله مهندسی مکانیک شریف
سال سی و یکم شماره 2 (پاییز و زمستان 1394)
- تاریخ انتشار: 1394/12/05
- تعداد عناوین: 14
-
- مقاله پژوهشی
-
تحلیل تجربی رفتار رچتینگ پانل های استوانه یی فولادی ضد زنگ L304 S S تحت بارگذاری متناوب مرکب و محوریصفحات 3-13در این نوشتار رفتار رچتینگ پانل های استوانه یی از جنس فولاد ضدزنگ L304 S S تحت بارگذاری متناوب مرکب و محوری مورد مطالعه قرار گرفته است. آزمایش های تجربی رچتینگ توسط دستگاه سرو هیدرولیک اینسترون 8802 انجام شده است. پانل ها به صورت مایل و تحت زاویه ی 20 درجه نسبت به محور عمود قرار گرفته و بار تناوبی به آنها اعمال شده است. تاثیر پارامتر طول و زاویه ی نمونه بر رفتار رچتینگ و انرژی خمیری پانل های استوانه یی مورد تحقیق قرار گرفته است. با توجه به نتایج آزمایشگاهی، گشتاور خمشی تاثیر قابل ملاحظه یی بر انرژی اتلافی و افزایش تغییر شکل های خمیری دارد. مشاهده شد که تغییر شکل خمیری در پانل استوانه یی مایل در مقایسه با پانل استوانه یی عمودی به دلیل وجود گشتاور خمشی در مقاطع مختلف آن، بیشتر است. نتایج نشان می دهد که در بارگذاری مرکب تناوبی، با افزایش طول نمونه ها، جابه جایی رچتینگ و انرژی خمیری افزایش و عمر نمونه ها کاهش می یابد.
کلیدواژگان: پانل استوانه یی، رچتینگ، بارگذاری محوری تناوبی، بارگذاری مرکب تناوبی، انرژی خمیری، فولاد ضدزنگ L304S S -
صفحات 15-23در تحقیق حاضر به بررسی عددی و آزمایشگاهی برهمکنش بین یک جسم جامد تغییر شکل پذیر و محیط سیال خواهیم پرداخت. مدل توسعه یافته از روش اویلری برای سیال و جسم جامد، و از روش نسبت حجمی سیال برای تعیین موقعیت جسم جامد بهره می برد. برای محاسبات مربوط به جسم جامد از یک تانسور کرنش استفاده شده که در هر گام زمانی، توسط یک رابطه ی انتقال محاسبه می شود. براساس مقادیر کرنش به دست آمده و نیز معادله ی مشخصه ی جسم جامد، تنش های کشسان در ناحیه ی جسم جامد محاسبه می شود. به منظور بهبود شرط مرزی دینامیکی، گرانروی جسم جامد افزایش یافته که این امر با کاهش تاثیر تنش های کشسان در فصل مشترک سیال/جامد، سبب پایداری شبیه سازی می شود. در ادامه، آزمایش تجربی حرکت جسم جامد در هوا و برخورد آن با سطح صلب انجام شد. همین مورد با استفاده از برنامه ی عددی توسعه یافته نیز شبیه سازی و نتایج حاصله با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد.
کلیدواژگان: برهمکنش سیال جامد، ماده ی هایپرالاستیک، روش نسبت حجمی سیال، حل عددی، پردازش تصویر -
صفحات 25-32پژوهش حاضر به طراحی یک نمونه جدید ربات بازرس خطوط انتقال قدرت می پردازد. از این ربات به منظور حرکت روی خطوط گارد برای بازرسی و یافتن عیوب خطوط انتقال قدرت 63 کیلوولت براساس استانداردهای کشور ایران استفاده می شود. در ربات طراحی شده، مکانیزم های فعال و غیرفعالی قرار داده شده که به وسیله ی آن ها ربات قادر به عبور از روی خطوط گارد به همراه تمامی موانع موجود روی آن ازجمله بست ها، گوی اخطار و دکل های آویزی و زاویه است. مکانیزم های فعال این ربات را هفت غلتک متحرک)چهار غلتک قائم و سه غلتک افقی(و نیز سه مکانیزم به منظور ایجاد حرکت قائم برای غلتک های افقی ربات تشکیل می دهد. مکانیزم های فنر و دمپر موجود در لولاهای ربات نیز از جمله مکانیزم های غیرفعال اند. نتایج حاصل از آزمون آزمایشگاهی ربات نشان می دهد که این ربات به راحتی قادر به عبور از روی خطوط گارد تا شیب حداکثر 30 درجه، گوی اخطار با قطر حداکثر 700 میلی متر، سر دکل آویزی با ابعاد $170\t i m e s170$ میلی متر و همچنین سر دکل زاویه با زاویه پیچش 30 درجه است.
کلیدواژگان: ربات بازرس کابل، خطوط انتقال قدرت، شبیه سازی دینامیکی، طراحی مکانیزم -
صفحات 33-39نیاز روز افزون بشر به انرژی، محدودیت منابع انرژی، آلودگی هوا بر اثر انتشار گازهای آلاینده ناشی از احتراق سوخت های فسیلی، و گرم شدن زمین همگی از مواردی هستند که صرفه جویی و مصرف بهینه انرژی را اجتناب ناپذیر می کنند. یکی از راه های پیش رو خیره سازی انرژی در دسترس و استفاده از آن در مواقع مورد نیاز است. ذخیره سازی سرمای شب و استفاده از آن برای تهویه ی هوای روز در مناطق کویری که اختلاف دمای شب و روز قابل ملاحظه است، در کنار سیستم های تهویه ی متداول و پرمصرف یا به جای آن، یکی از فرصت های صرفه جویی در مصرف انرژی است. در این پژوهش یک مدل یک بعدی برای حل یک سامانه ی ریژنراتور بستر ثابت حاوی پلی اتیلن گلیکول 600 به عنوان ماده تغییر فاز ارائه، و نتایج حاصل از حل آن با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است.
کلیدواژگان: ماده تغییر فاز، سیستم ذخیره سازی انرژی گرمایی، مدل سازی، سرمایش رایگان، پلی اتیلن گلیکول 600 -
تحلیل اطلاعات آماری و مدل سازی قابلیت اطمینان ملخ بالگرد با در نظر گرفتن حالت های چندگانه ی واماندگیصفحات 41-45با توجه به تحلیل های آماری محدود قابلیت اطمینان قطعات بالگرد در مراجع فنی، تحلیل قابلیت اطمینان 338 ملخ بالگرد 205 در شرایط پروازی بین سال های 1353 تا 1390 انجام شده است. با انجام تحلیل آماری، قابلیت اطمینان ملخ بالگرد که دارای حالت های چندگانه ی واماندگی است، استخراج شده است. توابع قابلیت اطمینان با روش تخمین کاپلانٓ میر محاسبه شده و پس از استخراج بازه های اطمینان برای نتایج غیرپارامتریک، به کمک دو روش حداکثر احتمال و نموداری، توزیع وایبول سه پارامتری به دست آمده است. همچنین توابع تجمع خرابی حالت های واماندگی با روش تخمین نلسونٓ آلن استخراج شده است. یکی از نتایج مهم این است که قابلیت اطمینان این ملخ ها دارای توزیع وایبول سه پارامتری و آهنگ واماندگی فزاینده با زمان است. در نهایت، با توجه به نمودار توابع تجمعی خرابی مربوط به هر حالت واماندگی مشخص شد که حالت واماندگی 1 که مربوط به ارتعاشات بیش از حد است، بیشترین تاثیر را در واماندگی ملخ ها داشته است.
کلیدواژگان: قابلیت اطمینان، ملخ بالگرد 205، تحلیل آماری، حالت های چندگانه ی واماندگی، توزیع وایبول سه پارامتری -
صفحات 47-58در این نوشتار مدلی جدید برای پیش بینی زبری سطح قطعه کار در فرایند سنگ زنی تخت، براساس مدل سازی بیشینه ضخامت براده ی تغییر شکل نیافته ارائه می شود. برای این منظور با لحاظ کردن ماهیت تصادفی توزیع و هندسه ی دانه های ساینده و درنتیجه عمق نفوذ متغیر آنها، از مفهوم تابع چگالی احتمال استفاده شده است. با مقایسه ی توابع توزیع مهم در هیستوگرام ضخامت براده، تابع چگالی احتمال گاما به عنوان بهترین تابع تعیین شد و برمبنای آن مدل سازی ضخامت براده ی تغییر شکل نیافته انجام گرفت. بیان ضخامت براده در مدل پیشنهادی تابعی از پارامترهای سنگ زنی، میکروساختار سنگ و شرایط سینماتیکی فرایند است. مدل زبری با انجام آزمایش های سنگ زنی تخت روی پوشش دهی C r4C o-10W C- با پاشش حرارتی ارزیابی شد و نتایج حاصله بیان گر تطابق قابل قبول مقادیر پیش بینی شده و مقادیر اندازه گیری شده است. این مسئله با محاسبه ی میانگین درصد خطای نسبی بین مقادیر پیش بینی شده و نتایج آزمایش ها نیز تایید شده است.
کلیدواژگان: سنگزنی، زبری سطح، ضخامت براده، تابع چگالی احتمال -
صفحات 59-66این پژوهش به بررسی انتقال حرارت جابه جایی و ضریب اصطکاک نانوسیالات مسٓ آب و آلومینیومٓ آب در کویل حلزونی اختصاص دارد. این آزمایش ها برای رژیم آرام جریان و تحت شرایط مرزی دمای دیواره ثابت انجام شده است و نانوسیالات در غلظت های مختلف و شرایط عملکرد متفاوت مورد آزمایش قرار گرفته اند. اثر پارامترهایی همچون عدد گراتز، دمای دیواره و غلظت بر ضریب انتقال حرارت و افت فشار جریان مطالعه شده است. هدایت حرارتی به صورت تجربی اندازه گیری شده است و نتایج حاصله نشان می دهد که در غلظت p p m 2000 هدایت حرارتی نانوسیال آبٓ مس 18\٪ بیشتر از آبٓ آلومینیوم است. به دلیل جریان ثانویه ی ایجاد شده در لوله، عدد ناسلت با افزایش عدد گراتز به صورت نوسانی تغییر می کند. درمورد نانوسیال مس و آلومینیوم افزایش ضریب هدایت حرارتی در بهترین حالت به حدود 26 و 22 درصد می رسد.
کلیدواژگان: کویل حلزونی، نانوسیال، عدد ناسلت، افت فشار، هدایت حرارتی -
صفحات 67-77در این نوشتار برای نخستین بار با استفاده از مدل مستقل از فشار)P F M(پرش هیدرولیکی پیش از تشکیل اسلاگ، تسخیر و فرکانس اسلاگ در جریان دوفازی لایه یی در کانال افقی طویل تعیین شده است. معادلات این مدل دوسیالی گذرا توسط گروهی از روش های تسخیر شاک مرتبه بالا، به طور عددی حل شده است. به منظور تایید نتایج روش های مختلف عددی به کار رفته مورد آزمایشی شیر آب انتخاب شده است. نتایج شبیه سازی در مقایسه با حل تحلیلی مسئله ی شیر آب، حاکی از پیش بینی صحیح جریان توسط کدهای توسعه یافته در تحقیق حاضر است. پس از صحت آزمایی کدهای توسعه یافته و مقایسه ی روش های مختلف عددی، روش عددی F L I C برای شبیه سازی جریان دوفازی لایه یی در کانال افقی طویل انتخاب شده است. با مقایسه ی نتایج شبیه سازی و داده های تجربی آزمایش های انجام شده در آزمایشگاه جریان چندفازی دانشگاه تربیت مدرس مشخص شد که P F M، توانایی شبیه سازی جریان دوفازی لایه یی در کانال افقی طویل، پرش هیدرولیکی پیش از تشکیل اسلاگ، تسخیر ناپایداری اسلاگ و تعیین فرکانس آن را به خوبی دارد.
کلیدواژگان: مدل سازی عددی، PFM، مسئله شیرآب، پرش هیدرولیکی، فرکانس اسلاگ -
صفحات 79-88در تحقیق حاضر، الگوی جریان حباب های تیلور و فرکانس تشکیل آن ها در یک زانویی بزرگ متشکل از سه شیب متوالی بررسی شده است. بدین منظور، ابتدا نمودارهای جریان برای مقاطع مختلف مسیر ترسیم، و ضمن بیان روند تشکیل حباب ها، تاثیر دبی جریان فازها بر فرکانس آن ها مطالعه شده است. نتایج حاصله نشان می دهد که با توجه به عدم وقوع پدیده ی ادغام حباب ها، تغییرات شیب کانال در امتداد زانویی، تاثیری بر فرکانس حباب ها ندارد. در جریان هایی با ${\r m{R e}}_{s l}22000$، عکس این موارد رخ می دهد. همچنین با توجه به نتایج، در هر دو ناحیه ی مذکور افزایش دبی جریان گاز، سبب کاهش فرکانس حباب ها می شود. در انتها نیز روابطی برای تعیین فرکانس حباب ها براساس اعداد رینولدز ظاهری فازها پیشنهاد شده است.
کلیدواژگان: جریان دوفازی، فرکانس حباب، رژیم پلاگ، حباب های تیلور، کانال شیبدار -
صفحات 89-95در این تحقیق، روش نوینی برای کاهش تغییر شکل کامپوزیت های لایه یی متعامد نامتقارن با استفاده از نانوالیاف کربنی ارائه شده است. نخست با استفاده از آزمایش های دیلاتومتری و کشش، به ترتیب ضریب انبساط حرارتی و مدول کشسانی نانوکامپوزیت نانوالیاف کربنی/ اپوکسی در درصدهای مختلف وزنی اندازه گیری شد. نتایج مشخصه سازی نشان گر کاهش قابل ملاحظه ی ضریب انبساط حرارتی و افزایش اندک مدول کشسانی زمینه است. در ادامه نانوکامپوزیت های لایه یی نانوالیاف/کربن/اپوکسی با چیدمان متعامد نامتقارن $[90_2/0_2]_T$ در درصدهای مختلف وزنی با استفاده از روش اولتراسونیک و سپس روش لایه چینی دستی ساخته شده و تغییر شکل خارج از صفحه ی نمونه ها اندازه گیری شد. نتایج نشان می دهد افزودن 1\٪ وزنی نانوالیاف کربنی به کامپوزیت های لایه یی نامتقارن سبب 48\٪ کاهش در تغییر شکل خارج از صفحه ی این کامپوزیت ها شده است. برای تایید نتایج تجربی، انحنای لایه ی میانی نانوکامپوزیت ها با استفاده از روش اجزاء محدود و نظریه ی کلاسیک لایه یی محاسبه شده و هم خوانی مناسبی با مشاهدات تجربی به دست آمده دارد.
کلیدواژگان: کامپوزیت پلیمری متعامد نامتقارن، نانوالیاف کربنی، تغییرشکل، ضریب انبساط حرارتی، مدول کشسانی -
صفحات 97-102هدف از این پژوهش بررسی اثر نیروی الکترود و زمان اعمال آن بر تنش های پسماند ناشی از جوشکاری مقاومتی نقطه یی آلیاژ 6-T6061 آلومینیوم است. در این مطالعه از یک مدل المان محدود مکانیکی الکتریکی حرارتی دو بعدی با تقارن محوری برای پیش بینی توزیع دما، اندازه ی دکمه ی جوش و تنش های پسماند استفاده شده است. نتایج به دست آمده از شبیه سازی با آزمایش های عملی که تنش های پسماند در آنها با استفاده از تفرق اشعه ی x اندازه گیری شده، مقایسه شده است. مطالعات نشان می دهد بالاترین مقدار تنش پسماند کششی در فصل مشترک ورق ها و مرکز دکمه ی جوش رخ می دهد و در راستای شعاع جوش مقدار تنش ها کاهش می یابند. نتایج حاصله نشان گر آن است که با افزایش نیروی الکترود و زمان اعمال آن تنش های پسماند افزایش می یابند اما تاثیر زمان اعمال نیرو بر تنش های پسماند بیشتر از مقدار نیرو است.
کلیدواژگان: جوشکاری مقاومتی نقطه ای، تنش پسماند، مدل المان محدود، نیروی الکترود، زمان اعمال نیرو -
صفحات 103-111در تحقیق حاضر با استفاده از حل نابه جایی پادصفحه یی در صفحه ی بی نهایت، و نیز با استفاده از نظریه ی توزیع نابه جایی، میدان تنش پادصفحه یی اطراف ترک ارائه شده است. میدان تنش در نوک نابه جایی هیچ گونه تکینگی ندارد که با نتایج نظریه همخوانی دارد. به همین ترتیب حل ترک در صفحه ی بی نهایت نیز دارای هیچ گونه تکینگی در نوک ترک نیست و مقدار تنش در نوک ترک مشخص است. چند مثال عددی برای نشان دادن صحت و قابلیت روش حل مسئله ارائه شده است که اثر طول ترک، پارامتر شبکه به همراه یک ثابت عددی در پارامتر غیرموضعی به عنوان متغیری که در برگیرنده ی همه ی آن هاست لحاظ شده است. نمودار تنش در نوک ترک و خارج آن رسم شده و نتایج به دست آمده با نتایج کلاسیک در این زمینه مقایسه شده است.
کلیدواژگان: کشسانی غیرموضعی، ترک، توزیع نابه جایی، نابه جایی پادصفحه یی، پاد صفحه یی، صفحه ی بی نهایت - یادداشت فنی
-
صفحات 113-124در تحقیق حاضر، به بررسی و تحلیل شرایط آسایش حرارتی و کیفیت هوا در ترکیب سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایه یی پرداخته شده است. به منظور بررسی عملکرد سیستم هیبرید پیشنهادی، تاثیر پارامترهای فیزیکی و حرارتی شامل نرخ تعویض هوا، دمای هوای ورودی و دمای پانل سرمایش تشعشعی، و نیز پارامترهای هندسی شامل نسبت پوشش سقف توسط پانل سرمایش تشعشعی و محل دریچه خروج هوا مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد محل دریچه خروج هوا مهمترین پارامتر تاثیرگذار بر شرایط آسایش حرارتی و کیفیت هوا می باشد. از سوی دیگر هنگامی که 30 تا 40 درصداز بار سرمایشی بوسیله سیستم تهویه لایه یی خارج گردد بهترین شرایط از لحاظ آسایش حرارتی و کیفیت مطلوب هوا حاصل می شود. تحقیق حاضر، تامین همزمان شرایط آسایش حرارتی و کیفیت مطلوب هوا توسط سیستم هیبرید سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایه یی را به عنوان رهیافتی جدید و کاربردی معرفی کرده است.
کلیدواژگان: سرمایش تشعشعی هیدرونیک، تهویه لایه یی، آسایش حرارتی، کیفیت هوا، دینامیک سیالات محاسباتی -
صفحات 125-134در این پژوهش روشی خودکار برای بهینه سازی ردیف پره ی استاتور و روتور توربین جریان محوری معرفی می شود. در این روش الگوریتم ژنتیک، مولد هندسه، ایجادکننده ی شبکه ی محاسباتی و حل کننده ی میدان جریان به هم مربوط شده اند. تابع هدف در نظر گرفته شده عبارت است از تلفات فشار کل جریان در عبور از ردیف پره ی استاتور و روتور توربین، و نیز با استفاده از تغییر توزیع ضخامت ردیف پره های موجود، تعداد محدودی پارامتر طراحی منظور و وارد الگوریتم بهینه سازی می شود. با استفاده از قابلیت های نرم افزار تحلیل میدان جریان، شبکه ی ساختاریافته به صورت سه بعدی ایجاد و با تعریف شرایط مرزی مناسب، میدان جریان تراکم پذیر در ردیف پره تحلیل می شود. از معادلات ناویرٓ استوکس تراکم پذیر برای تحلیل میدان جریان، و برای مدل سازی آشفتگی از مدل k-e(R N G) استفاده می شود. از نتایج آزمون ردیف پره ی استاتور اولیه برای صحت سنجی نتایج حاصل از شبیه سازی استفاده می شود. بیشترین اختلاف نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج آزمون ردیف پره ی استاتور برابر 1٫14 درصد است. مقدار کاهش در تلفات فشار کل، برای ردیف پره ی روتور 1٫5 درصد و برای ردیف پره ی استاتور 3٫0 درصد در زاویه ی برخورد مورد نظر است، در حالی که مساحت استاتور بهبود یافته نسبت به پره ی اولیه 1٫3 درصد افزایش یافته است. این مقدار برای ردیف پره ی روتور بهبودیافته برابر2٫0 درصد است.
کلیدواژگان: استاتور، روتور، بهینه سازی، تلفات فشار کل
-
Pages 3-13In this paper, the ratcheting behavior of stainless steel 304L cylindrical panels under cyclic combined and axial loading is studied. Experimental tests were performed by a servo hydraulic INSTRON 8802 machine for several samples. The panels were fixed in normal and oblique directions under 20 degrees and subjected to cyclic loads. The effect of the length and angle of the cylindrical panels on ratcheting behavior and plastic energy was investigated. Based on the experimental results, it was found that bending moment played a crucial role in the dissipation and increase of plastic deformations. The ratcheting displacement for a cylindrical panel under combined loading is larger than for one under uniaxial loading, because the bending moment cooperates with the axial load to increase ratcheting displacement for cylindrical panels under combined loading. Also, for several cycles at the beginning of loading, the ratcheting displacement rate of the panel under combined loading was higher than that of the one under uniaxial loading. Finally, the ratcheting displacement rate of both types of loading became equal. The results showed that when the length of samples increased, ratcheting displacement and plastic energy increased, and sample life decreased.Keywords: Cylindrical panel, ratcheting, uniaxial cyclic loading, combined cyclic loading, plastic energy, stainless steel 304L
-
Pages 15-23In this study, a numerical model for simulation of the interaction between a deformable solid body and an incompressible fluid is developed. The solid object is assumed to be a hyperelastic material which has many applications in biological systems. The developed model uses an Eulerian approach for both fluids and solids and the volume of fluid method, to obtain the position of the solid object. For treating the solid object, a deformation tensor is employed, which is computed by means of a transport equation at each time step. Based on the obtained value of deformation and, also, the constitutive equation of the solid object, elastic stresses can be calculated. This term, which has a nonzero value only in the solid zone, is added to the fluid governing equations.The elastic stresses have discontinuities across the fluid/solid interface. Therefore, the dynamic boundary condition is not completely satisfied. For improving this boundary condition, the viscosity in the solid object is increased, which reduces the effects of the elastic stresses in the fluid/ solid interface; resulting in a stable simulation.For validating the numerical results, a simple experiment is performed, in which the movement of a spherical deformable solid object in air and its impact on a rigid substrate are studied. In this experiment, a CCD camera is employed to capture images from the movement of the solid object. Next, an image processing technique is used to obtain the required data. The same case is also simulated using the developed numerical program, and the obtained results are compared with those of the experiments. The numerical results are in good agreement with those of the experiments performed in this study.Keywords: Fluid, structure interaction, hyperelastic material, volume of fluid, numerical simulation, image processing
-
Pages 25-32In this article, detailed design of a novel power line inspection robot was studied. This robot may be used to move on ground cables for special purposes such as the inspection and fault detection of electric power lines. Designed active and passive mechanisms in the proposed robot enable it to move over various obstacles on ground cables, such as clamps, warning balls and mast tips. Indeed, this robot is the first designed robot with the capability of moving over all ground cable obstacles. The active mechanisms contained seven rubber-coated rollers (i.e. four vertical rollers and three horizontal rollers), as well as three mechanisms, in order to make the horizontal rollers move vertically. The passive mechanisms included a set of spring-dampers installed in each joint of the robot arms. Simulation results in ADAMS software reveal a desirable stability of performance when moving on ground cables with a maximum slope of 30-degrees. Also, the robot showed a suitable performance when passing over the warning balls (with a maximum diameter of 700mm), rectangular mast tips (170*170 mm) and mast tips with a 30-degree twist in the horizontal plane. The feasibility of these maneuvers was proven with a prototype implementation and successful test results. The robot was approximately 60kg in weight and may move in ground cables with a maximum speed of 20m/min.Keywords: Inspection robot, high, voltage power lines, simulation, mechanical design
-
Pages 33-39The growing need for energy, considering limited energy resources, pollution and global warming, have forced people to be more sensitive about the rate of energy consumption. Despite this fact, because of rising living standards, there is an increasing demand for cooling systems in buildings around the world. This increasing demand has led to a peak in electrical power consumption during hot summer days. Finding a solution for this peak is a new challenge for scientists. A leading option is to save available energy for use when it is needed. Saving the coldness of the night air for air conditioning during the hot summer days of tropical regions, instead of using common cooling devices, could be a proper opportunity to save energy. This idea is not only a good option for solving the electrical power imbalance between supply and demand, but also shifts the cooling energy use to off-peak periods and avoids peak demand charges. Phase Change Materials (PCM), because of their unique specifications, such as their capability of melting and freezing at a selected temperature, and their promising ability to reduce the dimensions of storage systems compared with usual storage systems (because they use the latent heat of the storage medium for thermal energy storage), can be used for this purpose. Initially, deriving a mathematical model for describing a heat exchanger packed with phase change Materials is essential. For this propose, a Latent Heat Thermal Energy Storage system (LHTES), containing flat slabs of Phase Change Material (PEG 600), has been investigated numerically and experimentally. For the numerical investigation, a one-dimensional model considering axial conduction and using effective heat capacity has been proposed to describe the built LHTES. The results of the model and experiments were compared, and good agreements were achieved.Keywords: Phase change material, PCM, thermal energy storage, numerical model, LHTES, free cooling, polyethylene glycol 600
-
Pages 41-45Following the development of the aerospace industry, the concept of reliability has attracted much attention in the field of mechanical engineering. However, limited failure data and statistical analyses of helicopter component reliability exist in technical literature. For filling this gap, a nonparametric analysis is conducted on the performance of the 338 blades of Iranian helicopter 205, which was in service between 1974 and 2012. These blades have 41 different failure modes. In this paper, using statistical analysis, the reliability of the helicopter blade 205, which has multiple failure modes, is obtained. The Kaplan-Meier estimator is used for calculating the nonparametric reliability functions. Confidence intervals for the nonparametric reliability results are derived, and parametric fit, with 3-parameter Weibull distribution, using maximum likelihood estimation (MLE) and a graphical approach, is conducted. In addition, the blade is assumed to be subjected to different modes of failure, and the cumulative mode-specific functions are derived for each failure mode using a Nelson-Aalen estimator. An important result from parametric analysis is that blade reliability has a 3-parameter Weibull distribution, and, so, the blades exhibit an increasing failure rate. Finally, considering the mode-specific hazard functions, failure mode 1, i.e., excessive vibration, is observed to be a major contributor to blade failure.Keywords: Reliability, helicopter blade 205, statistical analysis, multiple failure modes, 3, parameter weibull distribution
-
Pages 47-58Grinding is a surface finishing process, and surface roughness is one of the most important factors in evaluating the performance of the finished component. The development of a comprehensive model that can predict surface roughness over a wide range of operating conditions is still a key issue for the grinding process. In this paper, a new predictive surface roughness model for the surface grinding process is developed, based on maximum undeformed chip thickness modeling. By considering the random nature of grit distribution and grit geometry and, thus, variations in the depth of grain penetration, the concept of a probability density function (PDF) has been utilized. Gamma PDF has been determined to be the best function, by comparing the maindistribution functions in a histogram graph of chip thickness, and, based on this PDF, maximum undeformed chip thickness modeling has been carried out. The representation of chip thickness in the proposed model is a function of grinding parameters, the wheel microstructure and process kinematic conditions. The developed model for surface roughness prediction is based on the geometrical analysis of the grooves left on the surface due to the grit-workpiece interaction, and has been resulted using maximum undeformed chip thickness modeling. The surface roughness model has been validated by the experimental results of the surface grinding of a thermally sprayed WC-10Co-4Cr coating. Reasonable agreement has been observed between predictions from the proposed model and the experimentally measured surface roughness. This is also supported by the values of the average percentage of error between predicted and experimental results. The average value of relative error between predicted and measured values of surface roughness was 8.53\%. According to these results, it can be concluded that the proposed surface roughness model is an effective prediction technique.Keywords: Grinding, surface roughness, chip thickness, probability density function
-
Pages 59-66Fluid heating and cooling are important in many industries such as power, manufacturing, transportation, and electronics.Effective cooling techniques are greatly needed for cooling any sort of high-energy device. Common heat transfer fluids, such as water, ethylene glycol and engine oil, have limited heat transfer capabilities due to their low heat transfer properties, and numerous researchers have been investigating better ways to enhance the thermal performance of heat transfer fluids. Nanofluids are suspensions of nanoparticles in base fluids; a new challenge for thermal sciences provided by nanotechnology. The tested fluids are prepared by dispersing the Al and Cu or metal base fluids into the water at three different concentrations;500, 1000 and 2000 ppm.Thermal conductivities of these fluids are measured experimentally by a thermal property analyzer, i.e., KD2 Pro, using a KS-1 sensor needle, as this needle is preferred \ for low \ viscosity fluids. Experimental \ results \ show that the thermal conductivity of \ nanofluids is \ higher \ than \ base \ fluid and the thermal \ conductivity of Cu/Water nanofluid is more than Al/Water nanofluid. This is because Cu-metal thermal conductivity is more than Al-metal thermal conductivity. In addition, a comparison is made between the experimental results of thermal conductivity and the results calculated usingthe models presented for their prediction.This study presents the heat transfer coefficient and friction factor of Al-water and Cu-water nanofluids flowing in a spiral coil in the laminar flow regime with constant wall temperature. The experiments were undertaken at different concentrations and under various operational conditions. The effects of different parameters, such as Gz number, wall temperature and nanofluid particle concentration, on the heat transfer coefficient and pressure drop of the flow were studied. The thermal conductivities of these fluids are measured experimentally and results show that the thermal conductivity of Cu-Water nanofluid is about 18\% higher than Al-Water nanofluid in 2000 ppm. Nusselt number oscillations can be seen for different nanofluids, which are caused by the secondary flow.Keywords: Spiral coil, nanofluid, nusselt number, pressure drop, thermal conductivity
-
Pages 67-77As gas and liquid flow simultaneously in a duct or pipe, different flow regimes will be generated. One of these regimes is called the slug flow, which is a common occurrence in gas-liquid two-phase flow in ducts. In recent decades, research into slug flow has increased because of gas and liquid transport, especially for applications with undersea reservoir operations with long pipelines. Information about the flow regime is necessary for thermal and hydraulic calculations. As pioneers declared, one of the most important considerations in the development of slug flow models is to predict slug frequency that has not been solved completely. This subject is a major issue that remains unsolved for two-phase flow in pipes or ducts.Many studies have reported results that are restricted to their experimental conditions, because different parameters can influence slug frequency. The numerical modeling of slug flow is important for simulation and prediction of physical behavior in gas-liquid transfer pipelines design, process equipment and, also, slug catchers.In this paper, air-water two-phase flow is simulated using the Pressure Free Model (PFM). The conservation equations are solved numerically by a class of high order shock capturing methods. To verify the various numerical methods in the developed code (Lax- Friedrichs, Ritchmyer, FORCE and FLIC), the water faucet problem is used. Comparison of the results with analytical solution of the benchmark cases shows good agreement. As the results of the developed codes verified, the FLIC method is selected to simulate the stratified air-water flow in a long horizontal channel. The results show good agreement in comparison with experimental data, which was conducted in the Multiphase Flow Laboratory of TMU. In this research, for the first time, it was found that the PFM under a well-posed condition could predict and evaluate two-phase flow behavior in long horizontal channels, in addition to slug frequency calculation and capturing the hydraulic jump, which forms before slug initiation.Keywords: Numerical modeling, PFM, water faucet problem, hydraulic ump, slug frequency
-
Pages 79-88Gas-liquid \ two-phase \ flow occurs \ frequently in \ many cases of industry, depending on the geometry of the duct, and the topography of the interface which creates different flow regimes. The Taylor bubble regime is one of the most possible patterns that exist over a wide range of gas-liquid flow rates. It is characterized by the motion of an elongated bubble among a continuous zone of liquid. The transient and intermittent nature of this regime causes sequence changes of pressure inside the channel and increases the fatigue and corrosion of the channel wall. In the present research, for its high importance, the frequency of Taylor bubbles was investigated in a large bend with three consecutive inclinations. At first, the flow regimes and flow diagrams of the inclined sections, as well as the horizontal section, in the upstream of the bend, were considered. It was noted that the Taylor bubble area stayed unchanged without the channel slope effect, and three areas were also coincident. As the bubbles merge and the bubble collapse phenomenon does not occur, the slope change of the channel does not affect the Taylor bubble frequency. A detailed explanation is given on Taylor bubble formation in the bend due to slug flow, which was generated on the upstream of the bend. The effect of gas and liquid flow rates on Taylor bubble frequency in the bend, as well as slug frequency at upstream of the bend, was also conducted in the present study. The results showed that an increase in gas flow rate decreases the Taylor bubble frequency in the whole range of liquid flow rates. In the flows with $Re_{sl}$ $$ 22000. Finally, correlations were proposed to evaluate Taylor bubble frequency, based on phase superficial Reynolds number. These correlations are important for flow regime evaluation, in addition to the lack of similar subject matter in the literature.Keywords: Two, phase flow, bubble frequency, plug regime, taylor bubbles, inclined cchannel
-
Pages 89-95Due to the natural inconsistency of the mechanical and thermal properties of fiber and matrix, residual stresses are introduced during the curing process of fibrous polymer composites. Considering a high Young's modulus and the negative coefficient of thermal expansion (CTE) of carbon nanofibers (CNFs), the addition of CNFs into the matrix makes its properties closer to reinforcement, and this reduces residual stress in laminated polymer composites. In this research, a novel method to decrease the deformed shape of cross ply un-symmetric laminated composites, by adding vapour grown carbon nanofiber, is proposed. To this end, first, using thermo mechanical analysis (TMA) and tensile test methods, the coefficient of thermal expansion and the Young's modulus of vapour grown carbon nanofiber reinforced epoxy are measured. The characterizations showed a significant decrease in the coefficient of thermal expansion and a slight increase in the Young's modulus of the matrix. Then, using the sonication technique, as well as the hand layup method, vapour grown carbon nanofiber/carbon fiber/epoxy cross ply laminated composites are fabricated in different vapour grown carbon nanofiber weight loadings, and the percentages of deformations are measured carefully. The results show that adding 1 wt of vapour grown carbon nanofiber to the composites can reduce the out of plane deformation of un-symmetric laminates up to 48 %. Finally, the finite element method and the classical lamination theory (CLT) are used to validate the experimental observations. The results of this comparison show good agreement between the modeling and the experimental results. The results indicate that the addition of low contents of CNF causes the coefficient of thermal expansion of the matrix to decrease and the matrix Young's modulus to increase, which, in turn, leads to a considerable reduction in micro and macro thermal residual stresses. This reduction will decrease the unwanted deformed shape of the cross ply un-symmetric laminated composites.Keywords: Un, symmetric cross ply polymeric composites, carbon nanofiber, coefficient of thermal expansion, young's modulus
-
Pages 97-102Nowadays, application of light materials, such as aluminum sheeting, plays a very important role in various utomotive and aerospace industries. Resistance spot welding is a widely used method in assembly lines of such industries. The main purpose of this study is to investigate the effect of electrode force and time on residual stresses produced by the resistance spot welding of aluminum alloy, 6061-T6. In this study, a two-dimensional electro-thermo-mechanical finite element model with axial symmetry has been employed to predict the temperature, nugget size and distribution of residual stress in the resistance spot welding process. For more realistic analysis, temperature dependent physical and mechanical properties have been defined for the electrodes and sheets. The simulation results have been compared with the results obtained from experimental tests. For validation, the nugget size and residual stresses were ompared. The diameter of the nugget was measured by metallographical observation, and the residual stresses were measured by an X-ray diffraction method at three points of the nugget in three equal samples. The studies show that the highest amount of tensile residual stress occurs at the intersection of the sheets and at the center of the nugget; by moving away from the center along the nugget radius, residual stresses diminish. To study, numerically, the electrode force effect and its time, a set of parametric studies was designed. These parameters are current, current time, and either force or its time. The results indicate that by increasing the electrode force and its time, the residual stresses increase. But the effect of electrode force is less than its time on residual stresses. This fact refers to higher heat transfer and cooling rate at the welding zone. An increase in forcing time causes a higher cooling rate, and more columnar dendrite structure can be observed in the nugget area. This will create concentrated residual stresses at the nugget zone.Keywords: Resistance spot welding, residual stress, finite element method, electrode force, force time
-
Pages 103-111All materials are made up of sub-bodies, which constitute their substructure or microstructure. The size of a sub-body may vary from atomic dimensions to a macroscopic scale, such as grain size. Depending upon the nature and accuracy of the physical phenomena to be modeled, the average distance of the sub-bodies plays a central role. This distance may vary from the order of the lattice parameter (10-8 cm in perfect crystals), to a few millimeters, as in granular solids. The boundary and initial conditions bring into play another characteristic, length. Such models, entitled nonlocal theories, have been proposed for the past four decades. The solutions of various critical problems have verified our hopes and expectations in that, by means of nonlocal models, it will be possible to make accurate predictions of physical phenomena at submicroscopic scale. In the present study, the anti-plane stress field of multiple cracks is obtained using the solution of screw dislocation in an infinite elastic plane, based on nonlocal elasticity. The distribution dislocation technique is used to model the crack problem with screw dislocation distribution. Unlike the classical elasticity solution, a lattice parameter enters into the problem, which makes the stresses finite in the screw dislocation solution in the infinite elastic plane in nonlocal theory, which has no singularity at the dislocation tip, and which is consistent with theoretical results. Similarly, the crack problem using the distribution dislocation theory is solved with no singularity at the crack tip. The kernel in the related equation is of the Cauchy type, and to determine the distribution of dislocations, which generates traction along the crack line, the Gauss-Chebyshev quadrature has been used. Several numerical examples to illustrate the accuracy and capability of the solution have been calculated, where the effect of crack length, lattice parameter and constant is calculated as a variable parameter, which includes all of them. Stress at the crack tip and its graphs are depicted and the results obtained are compared with classical results in this field.Keywords: Non, local elasticity, crack, distribution dislocation, screw dislocation, anti, plane, infinite plane
-
Pages 113-124Providing thermal comfort and proper air quality are two main factors when determining the type of HVAC system. The study of new concepts in air conditioning systems is very important and necessary, in order to achieve optimal thermal comfort and air quality.Stratum ventilation and hydronic radiant cooling systems are two modern air conditioning systems considered in the present study, and a hybrid usage of these systems has been studied. The purpose of this study is the evaluation and comparison of the effect of physical-thermal and geometric parameters on thermal comfort and indoor air quality, in order to offer practical suggestions for improving these important parameters. Therefore, thermal and physical parameters, such as air change per hour, inlet air temperature and radiant cooling panel temperature, and also, geometrical parameters, such as cooling ceiling ratio and exhaust location, have been evaluated. In the present investigation, the cooling load ratio, removed by the stratum ventilation and hydronic radiation cooling systems to satisfy thermal comfort and proper air quality, is determined. The results show that despite combined hydronic radiation cooling and conventional displacement ventilation in which the exhaust location is a trivial parameter, the exhaust location, in the present hybrid system of hydronic radiation cooling and stratum ventilation, is the most important parameter in achieving thermal comfort and proper air quality. Increasing the ACH has a significant impact on improving thermal comfort and air quality indices, although this effect at high ACH (Air Change per Hour) is reduced. In addition, increasing the cooling ceiling ratio improves thermal comfort. On the other hand, indoor air quality is reduced because of its influence on air flow patterns and increased return air flow near the surface of the panel. In addition, when 30 to 40 percent cooling load is removed by stratum ventilation, the best condition of thermal comfort and proper air quality is provided. Finally, the present study has introduced a hybrid system of hydronic radiant cooling and stratum ventilation as a new approach to achieve combined thermal comfort and proper air quality.Keywords: Hydronic radiant cooling, stratum ventilation, thermal comfort, air quality, computational fluid dynamic
-
Pages 125-134Gas turbines have many applications in different industries. The axial turbine is one of the most challenging components of gas turbines for industrial and aerospace applications. With the ever-increasing requirement for high aerodynamic performance blades, two and three dimensional aerodynamic shape optimization is of great importance. In this paper, an automatic design procedure is presented for single point optimization of an axial flow turbine stator and rotor cascades. In this method, the genetic algorithm, the blade geometry generator, a computational mesh generator and the flow field solver are related. The objective function is the total pressure loss of the flow passing through the stator or rotor blade cascades. Particular modifications are performed with a limited number of optimization parameters, by changing stator and rotor blade thickness distribution. The stator and rotor airfoils are regenerated by adding a smooth perturbation of Wagner shape functions to the thickness distributions. Because of the symmetric geometry of the turbine blade cascade, periodic boundary conditions are used for simulations. Furthermore, three-dimensional and turbulent flow field investigations are numerically performed employing a compressible Navier-Stokes solver and the k-e (RNG) turbulence model. The experimental results of initial stator cascade are used for validation of numerical results. The experimental investigation is performed in the Gas Turbine Laboratory of Sharif University of Technology. The maximum deviation of numerical results from cascade test data is 1.14 percent. This optimization strategy resulted in a reduction of 1.5\% total pressure loss in the rotor and 3.0\% in the stator, for a prescribed incidence angle, while the cross sectional area of the modified stator and rotor blades increased, 1.3\% and 2.0\%, compared with the initial ones, respectively. It should be noted that for the rotor blade cascade, a multi-point optimization is required, based on a comparison of the original and modified loss-incidence angle chart results.Keywords: Stator, rotor, optimization, total pressure loss
©2000-2024 magiran.com All Rights Reserved.