فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال چهل و هفتم شماره 1 (تابستان 1394)
  • سال چهل و هفتم شماره 1 (تابستان 1394)
  • تاریخ انتشار: 1394/04/16
  • تعداد عناوین: 9
|
  • مقاله پژوهشی
  • رسول صابری، مانی فتحعلی صفحات 1-12
    در این تحقیق، عملکرد مدل های مختلف جریان مغشوش برای شبیه سازی جریان سیال در پره استاتور توربین مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور جریان سیال تراکم ناپذیر در پره استاتور یک توربین با چرخش زیاد و رینولدز 105×23/2 به وسیله نرم افزار محاسباتی فلوئنت (Fluent) شبیه سازی عددی شده است. در این شبیه سازی، معادلات ناویر- استوکس با روش حجم محدود روی شبکه محاسباتی ترکیبی (Hybrid) گسسته شده است. مدل های مختلف اغتشاشی مورد بررسی قرار گرفته عبارتند از مدل تک معادله ای Spalart-Allmaras، مدل های دو معادله ای Standard k- ε، Realizable k- ε، RNG k- ε و SST k-ω و مدل پنج معادله ای تنش رینولدز (RSM). عملکرد مدل های مختلف جریان مغشوش با مقایسه ضریب فشار بدست آمده از حل های عددی با نتایج آزمایشگاهی در 4 ناحیه مختلف پره استاتور انجام شده است. نتایج نشان می دهد که دقت یک مدل اغتشاشی در پیش بینی ضریب فشار در نواحی مختلف پره استاتور یکسان نمی باشد. اگرچه عملکرد مدل های مختلف در نواحی مختلف جریان متفاوت است، تمامی مدل ها در پیش بینی ضریب فشار در نواحی گرادیان بالای سرعت از دقت کمتری برخوردارند. با مقایسه عملکرد مدل ها در تمامی نواحی مختلف پره استاتور، بهترین توافق بین جواب های شبیه سازی و نتایج آزمایشگاهی در دو مدل اغتشاشی SST و RSM مشاهده شد.
    کلیدواژگان: توربین گاز، مدل های اغتشاش، پره با زاویه چرخش زیاد، توزیع فشار سطح پره
  • فرهاد جلیلی، مجید ملک جعفریان، علی صفوی نژاد صفحات 13-31
    استفاده از یک روش توصیف کننده ی هندسه ی ایرفویل یکی از نیازهای اساسی برای بهینه سازی ایرفویل ها است. انتخاب این روش نقش بسیار مهمی در بهینه سازی دارد، به طوری که استفاده از روشی نامناسب، نتایج ضعیفی را ارائه داده و همگرایی را به تاخیر خواهد انداخت. از این رو در کار حاضر، اصلاحی بر الگوریتم تکاملی بهینه سازی جستجوی هارمونی انجام شده و با استفاده از آن و یک طراحی بهینه سازی معکوس (با یک تابع هزینه غیر آیرودینامیکی)، سه روش متداول معرفی کننده ی هندسه ی ایرفویل (منحنی های بزیر، روش پارسس و فرمول های 4 رقمی ناکا) مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که منحنی های بزیر و روش پارسس دارای کارایی بالایی نسبت به فرمول های 4 رقمی ناکا هستند. در نهایت روش پارسس به دلیل داشتن پارامتر کنترلی کمتر، به همراه الگوریتم بهینه سازی اصلاح شده، برای بهینه سازی هندسه ی یک ایرفویل تحت جریان لزج و درهم، با هدف بیشینه نمودن نسبت برآ به پسا استفاده شده است. برای انجام این مهم، معادلات دو بعدی تراکم پذیر ناویر-استوکس به همراه مدل درهم اسپالارت-آلماراس در اطراف ایرفویل حل گردیده اند. نتایج به دست آمده نشان از توانایی بالای الگوریتم بهینه سازی اصلاح شده به منظور ارزیابی روش های توصیف کننده ی هندسه ایرفویل و بهینه سازی آیرودینامیکی دارد.
    کلیدواژگان: بهینه سازی آیرودینامیکی، ارزیابی روش های معرفی کننده ی هندسه ی ایرفویل، الگوریتم بهینه سازی جستجوی هارمونی اصلاح شده، نسبت برآ به پسا، معادلات ناویر، استوکس
  • رضا مریمی، سعید فراهت، محمدحسین شفیعی میام، سید مرتضی جوادپور صفحات 33-45
    بهبود کاهش دراگ اصطکاکی به دلیل حضور حباب های کوچک و جریان محوری با استفاده از یک سیستم تیلور کوئت بطور تجربی مورد بررسی قرار می گیرد. هنگامی که عدد رینولدز دورانی از 5000 تا 70000 تغییر می کند، شرایط جریان کاملا آشفته است و گردابه های تیلور بین استوانه های هم مرکز ظاهر می شوند. درحالی که حباب های هوا و جریان محوری از قسمت پایینی سامانه داخل فضای حلقوی تزریق می شوند، گشتاور اعمالی روی استوانه ی داخلی دوار و رفتار حباب ها اندازه گیری می شوند. به منظور جلوگیری از خصوصیات سطحی نامشخص و ایجاد توزیعی از حباب های با اندازه ی تقریبا یکسان، از آب مقطر استفاده می شود. قطر حباب ها به کمک فرایند پردازش تصویر اندازه گیری می شود. نتایج نشان می دهند که جریان محوری در غیاب حباب ها سبب کاهش دراگ اصطکاکی می شود. علاوه براین مشاهده می شود که جریان محوری اثر مثبت حباب ها را روی کاهش دراگ بهبود می بخشد. در این حالت کاهش دراگی در حدود 28% بدست آمده است که با افزایش عدد رینولدز دورانی کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: میکروحباب، تیلور، کوئت، درگ اصطکاکی، جریان آشفته، جریان محوری
  • محمدرضا قدرتی، عزیز عظیمی، مهدی معرفت صفحات 47-57
    طراحی سیستم های تهویه مطبوع برای بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان ها به روش های سریع و دقیقی نیاز دارد که بتوانند جزئیات هوا در داخل ساختمان را پیش بینی کنند. در این مقاله نشان می دهیم که روش ناحیه ای هوا می تواند کیفیت هوا در محیط های داخلی را با سرعت و دقت مناسب بصورت منطقه ای محاسبه کند. مدل ناحیه ای هوا براساس بالانس جرم و انرژی در حجم های ماکروسکوپی توصیف می شود. این مدل از معادلات بالانس، معادله حالت، معادله افت فشار هیدرواستاتیک و معادله نیرو (که از معادله بالانس اندازه حرکت بدست می آید) در شبکه های درشت استفاده می کند.
    در این مقاله یک فضای نمونه شامل دو اتاق که توسط یک دریچه افقی با هم ارتباط دارند و بصورت طبیعی و اجباری تهویه می شوند، با استفاده از روش ناحیه ای هوا شبیه سازی شده و نتایج بدست آمده با نتایج حاصل از روش عددی و تجربی با هم مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که برای هندسه های ساده این روش توزیع دما و رطوبت در محیط های داخلی را با دقت قابل قبول در طراحی های مهندسی حتی برای مدت یک سال پیش بینی می کند.
    کلیدواژگان: مدل ناحیه ای هوا، شبیه سازی، توزیع دما، رطوبت، دریچه افقی
  • غلامرضا مولایی منش صفحات 59-67
    در حال حاضر جدی ترین گزینه ی پیش رو برای کاهش مصرف انرژی سیستم های تهویه، استفاده از روش تهویه لایه ای می باشد. در این روش که تاکنون در برخی کشورهای پیشرفته با موفقیت امتحان شده است، بر تهویه ی تنها لایه ای از اتاق که سر و سینه ی افراد در آن قرار می گیرد، تمرکز می شود. در این پژوهش 17 نمونه اتاق با هندسه ی یکسان شامل یک آدامک به همراه برخی تجهیزات اداری که همگی به این روش تهویه می گردند، به صورت عددی مدلسازی شده اند. با محاسبه ی چهار شاخص کمی ارزیابی برای تمامی نمونه ها، طی یک بررسی پارامتری نقش محل دریچه ی خروجی، موقعیت استقرار ساکنان و موقعیت منبع آلاینده بر آسایش حرارتی و کیفیت هوای استنشاقی مورد بررسی قرار گرفته است. بدیهی است که نتایج این پژوهش می تواند کمک شایانی به ارتقا طراحی سیستم های تهویه مطبوع لایه ای نماید.
    کلیدواژگان: تهویه لایه ای، محل دریچه ی خروجی، موقعیت استقرار ساکنان، موقعیت منبع آلاینده
  • امین امیری دلویی، محسن نظری، محمدحسن کیهانی صفحات 69-80
    در مطالعه حاضر، مساله انتقال حرارت در سیال غیرنیوتنی گذرنده از روی یک سیلندر دایروی با استفاده از روش ترکیبی مرز غوطه ور- شبکه بولتزمن حرارتی و طرح اعمال نیروی مستقیم مورد بررسی قرارگرفته است. الگوریتم میانیابی شارپ به منظور تبادل مقادیر دما و سرعت بین گره های واقع در دامنه سیال و نقاط روی مرز مانع استفاده شده است. به منظور در نظر گرفتن همزمان اثرات گسستگی شبکه و عبارت نیرویی (یا حرارتی) ناشی از وجود مرز داغ، روش اعمال نیروی چندگانه برای سیالات غیرنیوتنی توانی توسعه داده شده است. یک روش ساده برای محاسبه عدد ناسلت بر مبنای پارامترهای محاسبه شده در روش مرز غوطه ور شارپ استخراج گردیده است. انتقال حرارت در رژیم های مختلف جریان شامل جریان های پایا و ناپایا در محدوده وسیعی از اعداد رینولدز (80> Re >20) و شاخص های مدل سیال غیرنیوتنی توانی (4/1> n > 6/0) بررسی شده است. مشخص گردید که با افزایش خواص رقیق برشی و ضخیم برشی در سیالات به ترتیب افزایش و کاهش نرخ انتقال حرارت از مرز غوطه ور را شاهد خواهیم بود. الگوریتم اعتبار سنجی شده حاضر در آینده می تواند به عنوان ابزاری مناسب به منظور بررسی حرکت اجسام متحرک در سیالات غیر نیوتنی مورد توجه قرار گیرد.
    کلیدواژگان: روش مرز غوطه ور، روش شبکه بولتزمن حرارتی، الگوریتم واسط شارپ، سیال غیرنیوتنی، انتقال حرارت
  • محمد مهدی افسری، سیدعلی میربزرگی صفحات 81-90
    در مقاله حاضر اثرات گرمای ژول بر جریان الکترواسمتیک درون یک ریزمجرا با سطح مقطع مثلثی شکل و دیواره دما ثابت به روش عددی بررسی شده است. معادله انرژی برای توزیع دما، معادله ناویر استوکس برای توزیع سرعت و یک معادله پواسون برای توزیع پتانسیل الکتریکی به روش حجم محدود در مختصات عمومی حل شده اند. در عین حال خواص ترموفیزیکی سیال نظیر لزجت دینامیکی و رسانندگی الکتریکی تابع تغییرات دما در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش عدد ژول موجب افزایش دما، سرعت و دبی در عدد ای دی ال ثابت می شود. در یک عدد ژول ثابت، افزایش عدد ای دی ال موجب افزایش دبی می شود. با افزایش زاویه بین ساق ها و قاعده در یک عدد ژول معین، دمای میانگین و سرعت میانگین کاهش می یابند.
    کلیدواژگان: جریان الکترواسمتیک، گرمای ژول، ریزمجرای مثلثی شکل، دیواره دما ثابت
  • سعید زینالی هریس، زهرا عدالتی، سید حسین نوعی صفحات 91-99
    بررسی انتقال حرارت جابجایی در کانال های غیر دایره ای جهت استفاده در کاربردهای گرمایشی و سرمایشی بسیار مهم است. انتقال حرارت در این کانال ها پایین بوده ولی افت فشار کمتری نسبت به کانال های دایره ای دارند. در میان کانال های غیر دایره ای، کانال های مثلثی افت فشار کمتر و البته انتقال حرارت نامناسب تری را نشان می دهند. یکی از راه های بهبود انتقال حرارت این مقاطع افزودن نانو ذرات به سیال پایه آب است. در این مقاله انتقال حرارت مقطع مثلثی متساوی الاضلاع با افزودن نانو ذرات Al2O3 و CuO به سیال پایه آب مقطر به صورت تجربی بررسی شده است. مطابق داده های بدست آمده ضریب انتقال حرارت تجربی نانوسیالات مورد استفاده بیشتر از ضریب انتقال حرارت تجربی آب مقطر است.. جهت مقایسه انتقال حرارت نانوسیالات آب/Al2O3 وآب/CuO در کانال مثلثی نمودارهای مربوط به عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت جابجایی رسم شده است که بیانگر افزایش این مقادیر با عدد پکلت و کسر حجمی نانو سیال است. در ضمن عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت جابجایی برای نانو سیال آب/CuO مقادیر بیشتری را نسبت به نانو سیال آب/Al2O3 نشان می دهند.
    کلیدواژگان: نانو سیال آب، Al2O3، نانو سیال آب، CuO، کانال مثلثی، بهبود انتقال حرارت جابجایی
  • آرش اسماعیلی، سعود ناصری صفحات 101-109
    یکی از چالش های مهم مهندسی که در سامانه های پرواز سرعت بالا وجود دارد، گرمایشآئرودینامیک است. به همین دلیل در این سامانه ها از سیستم حفاظت حرارتی استفاده می شود. یکی از اجزای اصلی این سیستم ها، عایق های فداشونده است. در پژوهش حاضر تحلیل نظری و تجربی عایق آزبست فنولیک به صورت یک بعدی انجام شده است. رزین های فنولیک با بیشترین بازده تخریب حرارتی بطور وسیعی در عایق های فداشونده زغال گذار استفاده می شوند. وقتی یک عایق فداشونده با شار حرارتی مواجه می شود سطح آن گرم شده و پس از آن با شروع تخریب، گازهای تولیدشده و خروجی از زغال، عمل خنک سازی را انجام می دهند. معادلات حاکم بر این پدیده با استفاده از روش اختلاف محدود گسسته سازی و به صورت ضمنی و گذرا حل شده اند. برای مقداردهی خواص ترموفیزیکی از گراف های اسمی و برای مقداردهی ثوابت پیرولیز از واکنش های ترموشیمی استفاده شده است. صحت سنجی حل عددی با استفاده از آزمون اکسی استیلن انجام شده است. با گذشت زمان اختلاف بین نتایج آزمون و حل عددی افزایش می یابد که دلیل آن می تواند مدل یک بعدی و جمع شدن کاذب انرژی دو بعد مدل نشده در بعد مدل شده باشد. با این حال نتایج حل عددی و آزمون تجربی هم خوانی خوبی دارند و میانگین قدر مطلق خطا 54/7% است.
    کلیدواژگان: سیستم حفاظت حرارتی، پیرولیز، فداشوندگی، آزمون اکسی استیلن، آزبست، فنولیک، روش اختلاف محدود
|
  • R. Saberi, M. Fathali Pages 1-12
    In this research, the performances of different turbulence models for simulating flow field in turbine stator have been numerically investigated. To this end, incompressible fluid flow around a high-turning stator blade in Reynolds 2.23×105 has been simulated using FLUENT CFD software. Navier-Stokes equation is discretized on a Hybrid computational grid based on the finite volume approach. Considered turbulence models in this research are “Spalart-Allmaras”, “Standard k-ε”, “Realizable k-ε”, “RNG k-ε” , “SST k-ω” and “five-equation Reynolds-Stress Model (RSM)”. The performances of these models are evaluated by comparing the pressure coefficients obtained from numerical simulations with corresponding experimental data at four different stator regions. It has been observed that the ability of a turbulence model to predict flow field is not uniform throughout the stator blade. Moreover, all models show relatively poor performance in flow field regions with intense velocity gradients. Comparing the overall accuracy of different models, SST k-ω and RSM turbulence models show the best agreement with the experimental data.
    Keywords: gas turbine, Turbulence Model, High, turning Blade, Blade Pressure Distribution
  • F. Jalili, M. Malek, Jafarian, Óa Safavinejad Pages 13-31
    Utilizing an airfoil Parameterization method is one of the essential requirements for airfoils optimization. The selection of this method plays an important role, as using an unsuitable method yields the weak results. In addition, it will impose delay on convergence of the solution. Hence, in this work, an improved Harmony Search meta-heuristic optimization algorithm has been developed for investigating three common airfoil parameterization methods (Bezier curves, Parces method and 4-digit-NACA formula) using an inverse optimization design and a non-aerodynamics objective function. The obtained results show that the Bezier curves and Parces method are more efficient than 4-digit-NACA formula. Finally, because of having few control parameters, the Parces method has been used along with an improved Harmony Search algorithm for the shape optimization of an airfoil under a viscose and turbulent flow, with the objective of maximizing lift to drag ratio. To do this, 2-dimentional compressible Navier-Stokes equations with Spalart-Allmaras turbulent method have been solved around the airfoil. The results reveal that the improved optimization algorithm is highly capable of evaluating the airfoil parameterization methods and aerodynamics optimization.
    Keywords: Aerodynamics Optimization, Evaluation of Airfoil Shape Parameterization Methods, Improved Harmony Search Meta, Heuristic Optimization Algorithm, Lift to Drag ratio, Navier, Stokes Equations
  • R. Maryami, S. Farahat, M. H. Shafie Mayam, S. M. Javadpoor Pages 33-45
    Modification of frictional drag reduction due to the presence of small bubbles and axial flow is investigated experimentally using a Couette-Taylor system. Flow condition between concentric cylinders is fully turbulent and Taylor vortices are appeared into flow when rotational Reynolds number is changed from 5000 to 70000. Torque acting on rotating inner cylinder and bubble behavior are measured while air bubbles and axial flow are injected constantly from the bottom of the system into annulus gap. Pure water is used to avoid the uncertain interfacial property of bubbles and to produce nearly mono-sized bubble distributions. Bubble diameter is measured by image processing method. The result showed that in the absence of small bubbles, axial flow reduces the friction drag. Moreover, it is observed that axial flow improves positive effect of bubbles on drag reduction. In this case, a drag reduction of 28% is obtained which is decreased by increasing the rotational Reynolds number.
    Keywords: Micro, bubbles, Taylor, Couette, Skin Friction, Turbulent Flow, Axial Flow
  • M. Ghodrati, A. Azimi, M. Maerefat Pages 47-57
    The design of air-conditioning systems for energy saver buildings relies on fast and accurate methods able to predict the details of the indoor environment. In this paper, it is shown that the air zonal method is able to quickly assess the indoor environment quality. The zonal method is based on energy and mass balance equations in macroscopic volumes. Zonal models use a coarse grid and balance equations, state equations, hydrostatic pressure drop equations and power law equations. The aim of this paper is to study the simulation of temperature and humidity distributions through a large horizontal opening in a room with mixed ventilation by means of air zonal method and the results are compared to Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations and experimental data. It has been shown that for the simple rectangular geometries, the air zonal method gives reasonably an accurate air temperature and humidity results in engineering applications even for the whole year.
    Keywords: Air Zonal Model, Simulation, Temperature Distribution, Humidity, Horizontal Opening
  • G.R. Molaeimanesh Pages 59-67
    Stratum ventilation method is the most promising option for reducing energy consumption of ventilation systems in near future. In this method, which is currently implemented in some modern countries, the ventilation of only a stratum of indoor space in which occupants’ head and chest are located, is pursued. In the current study, 17 stratum ventilated cases with a manikin sited behind a desk and with different manikin’s sitting locations, outlet positions and contaminant source locations are numerically modeled. To investigate the effects of sitting location, outlet position, and contaminant source location on thermal comfort and inhaled air quality, a parametric study with four different evaluation indexes is performed. The results of this study can help improve the design and performance of stratum ventilation systems
    Keywords: Stratum Ventilation, Outlet Position, Sitting Location, Contaminant Source Location
  • A. Amiri Delouei, M. Nazari, M.H. Kayhani Pages 69-80
    In the current study, the problem of heat transfer in non-Newtonian fluid flow over a cylinder has been simulated using the Immersed Boundary – thermal lattice Boltzmann method and direct forcing algorithm. The sharp interface scheme isused to transfer the values of velocity and temperature between the fluid Eulerian and boundary Lagrangian nodes. In order to consider the effects of both discrete grid and boundary forces (thermal forces), the split-forcing lattice Boltzmann method is developed for non-Newtonian power-law fluids. A simple technique for calculating the Nusselt number based on the sharp immersed boundary method is extracted. Heat transfer of different fluid regimes consist of steady and unsteady flow in wide ranges of Reynolds numbers (20
    Keywords: Immersed Boundary Method, Thermal Lattice Boltzmann Method, Sharp Interface Scheme, Non, Newtonian Fluid, Heat Transfer
  • M. M. Afsari, S. A. Mirbozorgi Pages 81-90
    In this paper, numerical investigation of Joule heating effects on the electroosmotic flow through a microchannel with the triangular cross section and constant wall temperature have been presented. The energy equation for the temperature distribution, Navier–Stokes equation for the velocity distribution and a Poisson equation for the electric potential distribution have been solved by using the finite-volume method in a system curvilinear coordinates. Thermophysical properties such as the dynamic viscosity and electric conductivity vary with temperature. The results show that by increasing the Joule number, the temperature, velocity and mass flow rate increase with constant EDL number. With constant Joule number, the increments of EDL number causes the mass flow rate to increase. Mean temperature and velocity reduced by increasing the angle between sides and base of the cross-section in the particular Joule number.
    Keywords: Electroosmotic flow, Joule heating, Triangular microchannel, Constant wall temperature
  • S. Zeinali Heris, Z. Edalati, S.H. Noie Pages 91-99
    Experimentally and numerically investigation of triangular ducts heat transfer is very important for many heating and cooling systems because of their very low pressure drop. But/ Nevertheless , this non-circular duct has very bad heat transfer performance. In the present study, the heat transfer performance of triangular ducts using nanofluid as heat transfer media is experimentally investigated. Nanofluid (which is the stable suspension of nanoparticles inside base fluid) is a new kind of heat transfer fluid and has very good potential for the heat transfer enhancement. Two kinds of nanofluid (Al2O3/water and CuO/water) produced and injected to the experimental set up, and the Nusselt number and heat transfer coefficients of these nanofluids are determined experimentally and compared with each other. The result expressed that Cuo/water presents better heat transfer performance compared to Al2O3/water nanofluid.
    Keywords: Al2O3, Water Nanofluid, CuO, Water nanofluid, Triangular Duct, Heat Transfer Enhancement
  • A. Esmaili, S. Naseri Pages 101-109
    One of the major challenges in high-speed flights is aerodynamic heating. This is why thermal protection system (TPS) is being used. One of the main components of TPS is ablative insulation. In present study, one-dimensional theoretical and experimental analysis of ablative insulations have been done. Phenolic resins with maximum thermal destruction efficiency are being used in charring ablative insulations. When an ablative insulation is exposed to heat flux, its surface gets warmer and as the destruction begins, it produced gases to go out and do cooling. Governing equations of these phenomena have been discretized by the finite difference method and have been solved transient and implicitly. Thermophysical properties have been evaluated by nominal curves and Pyrolysis constants have been obtained by / through the thermochemical reactions. Validation of numerical solution has been done by oxy-acetylene test. By increasing the time, the difference between numerical and experimental results increases. One reason for difference between results could be 1D-modeling, where all of the actual 3D energy is accumulated in one dimension in the numerical solution. Nonetheless, there is good agreement between numerical and experimental results and the average of absolute errors is 7.54%.
    Keywords: Thermal Protection System, Pyrolysis, Ablation, Oxyacetylene Test, Phenolic Asbestos, Finite Difference Method