فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال چهل و هشتم شماره 3 (پاییز 1395)
  • سال چهل و هشتم شماره 3 (پاییز 1395)
  • تاریخ انتشار: 1395/07/26
  • تعداد عناوین: 10
|
  • مقاله پژوهشی
  • مرتضی محمودی منش، نورالله کثیری، جواد ایوک پور صفحات 227-238
    در این مقاله مساله تعیین چیدمان بهینه برج های تقطیر در یک سیستم تقطیر چند جزئی، با در نظر گرفتن ادغام حرارتی بین کندانسور و ریبویلر برج های مختلف، به روش برنامه نویسی ریاضی بررسی شده است. مساله مورد بحث در اینجا به دلیل وجود قیود غیر خطی و همین طور متغیرهای گسسته و پیوسته در مدل بهینه سازی، یک برنامه غیرخطی آمیخته با عدد صحیح، MINLP، خواهد بود. مدل MINLP حاصل از برنامه نویسی ریاضی به کمک نرم افزار گمز حل شده است. جامعیت مدل بهینه سازی و انعطاف پذیری آن در تعریف شرایط عملیاتی جدید از ویژگی های این کار به حساب می آید. بهینه سازی همزمان چیدمان و مصرف انرژی امکان ارزیابی تاثیر ادغام حرارتی بر انتخاب چیدمان بهینه فراهم کرده است. در نظر گرفتن ادغام حرارتی در کاهش مصرف انرژی با متغیر بودن فشار برج تقطیر امکان پذیر شده است بطوریکه نتایج حاصل از حل مدل MINLP برای یک جداسازی چهار جزئی، میزان صرفه جویی برابر 25% در هزینه کلی سالانه که شامل هزینه های سرمایه گذاری، عملیاتی و میزان مصرف انرژی می شود، را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: چیدمان برج های تقطیر، ادغام حرارتی، بهینه سازی مصرف انرژی، برنامه نویسی ریاضی، برنامه غیرخطی آمیخته با عدد صحیح (MINLP)
  • محمد هنری، بهمن بهزادی، محمدرضا دهقانی صفحات 239-246
    هدف اصلی این پژوهش بررسی تعادل های فازی به روش شبیه سازی مونت کارلو می باشد. از بین روش های شبیه سازی مونت کارلو روش مجموعه گیبس برای این منظور انتخاب شده است. در ابتدا تعادل های فازی بخار- مایع برای آب و نرمال هگزان خالص بررسی گردیده اند؛ برای مولکول های آب از میدان های نیروی SPC-E، COMPASS و AMBER و برای نرمال هگزان از میدان های AMBER، CHARM-27 و TraPPE-UA استفاده شده است و تعادل فازی این ترکیبات مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت از شبیه سازی در مجموعه گیبس برای محاسبات تعادل فازی مایع- مایع- بخار در مخلوط آب و نرمال هگزان استفاده شده است. نتایج برای مواد خالص مطابقت بسیار خوبی با داده های تجربی دارد و تعادل فازی بخار- مایع را به خوبی پیش بینی می نماید. مطابقت با داده های تجربی برای تعادل فازی بخار- مایع- مایع کمتر اما در حد قابل قبول است.
    کلیدواژگان: تعادلات فازی، شبیه سازی مولکولی، شبیه سازی مونت کارلو، روش گیبس، میدان نیرو
  • شهیده صیادیان، کیومرث مظاهری صفحات 247-256
    اکسید نیتروژن یکی از مهم ترین آلاینده های توربین گازی است. در کار حاضر محفظه احتراق توربین گاز با هدف کاهش NOx شبیه سازی شده است. در اکثر کارهای تحقیقاتی و صنعتی، برای کاهش تولید NOx تزریق بخار به صورت جداگانه یا به صورت پیش آمیخته با هوا به محفظه احتراق انجام می شود. اما در روش CLN بخار به صورت پیش آمیخته با سوخت به محفظه احتراق تزریق می شود. شبیه سازی CFD برای یک محفظه احتراق غیرپیش آمیخته به صورت متقارن محوری انجام شده است. در این شبیه سازی، در ابتدا تاثیر مدل های احتراق مختلف بر پیش بینی دما و میزان تولید NOx بررسی گردید. بر این اساس مدل EDC با توجه به این که قابلیت اعمال سینتیک های مختلف را دارد، برای پیش بینی NOx مدل مناسب تری است. همچنین تاثیر تزریق بخار به داخل محفظه به صورت پیش آمیخته با سوخت بررسی و نتایج آن با حالت بدون تزریق بخار به داخل محفظه و حالت تزریق بخار به صورت پیش آمیخته با هوا مقایسه شد. تزریق بخار به داخل محفظه احتراق، با افزایش دبی جرمی از طریق افزایش قطر نازل در سرعت ورودی ثابت انجام می شود. نتایج نشان می دهد که تزریق بخار پیش آمیخته با سوخت، سبب 8/5 درصد و 7/4 درصد کاهش بیشتر به ترتیب در تولید NOx و CO نسبت به حالت تزریق بخار پیش آمیخته با هوا می شود.
    کلیدواژگان: محفظه احتراق توربین گاز، شبیه سازی عددی، کاهش NOx، تزریق بخار
  • مجتبی مرادزاده، بهزاد قاسمی صفحات 257-266
    در این مقاله جریان جابجایی همزمان آزاد و اجباری، نانوسیال در یک محفظه باز مستطیلی به روش عددی بررسی شده است. نانو سیال با سرعت یکنواخت در دمای ثابت سرد وارد محفظه باز شده و با کف محفظه که تحت شار حرارتی ثابت قرار دارد، تبادل حرارت می کند. معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی به روش حجم کنترل جبری شده و به کمک الگوریتم سیمپل به صورت همزمان حل شده است. در این مطالعه با ثابت در نظر گرفتن عددریلی، ، اثر عدد ریچاردسون، ، تغییر نسبت حجمی نانو ذرات، ، فاصله بافل از ورودی، ، و نوع نانو ذرات بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش عدد ریچاردسون موجب کاهش و افزایش نسبت حجمی نانو ذرات موجب افزایش عدد نوسلت متوسط می گردد. این در حالی است که افزایش فاصله بافل از ورودی محفظه ابتدا باعث افزایش و سپس کاهش نوسلت متوسط شده و می توان فاصله بهینه ای برای آن پیش بینی کرد.
    کلیدواژگان: جابه جایی توام اجباری و آزاد، نانوسیال، محفظه باز، بافل
  • نیما حسینی واجارگاه، محمدرضا سلیمی، محمد طیبی رهنی صفحات 267-280
    در این پژوهش به مطالعه عددی خنک کاری لایه ای حول یک پره توربین گاز با استفاده از رهیافت میانگین گیری جزئی از معادلات ناویر استوکس (پنس) که یکی از موفق ترین رهیافت های شبیه سازی گردابه های بسیار بزرگ (وی – ال – ای - اس) در جریانهای آشفته می باشد، پرداخته شده است. جهت بررسی دقیق جریان، مدل سازی به صورت سه بعدی حول هندسه پره توربین گاز (ایرفویل با در نظر گرفتن سوراخ های خنک کاری) انجام شده و دمای سیال ورودی و دمای سطح پره به ترتیب 5/409 درجه سانتیگراد و 7/297 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است. عدد رینولدز جریان ورودی 105 X 42/8 می باشد. جریان ورودی به صورت کاملا آشفته میباشد و شدت توربلانسی آن 052/0 تنظیم شده و ضمنا از اثرات جریان های ثانویه در بالا و پایین پره چشم پوشی شده است. برای حل عددی معادلات از نرم افزار فلوئنت استفاده شده و معادلات میانگین گیری شده جزئی ناویر-استوکس (پنس) با استفاده یو – دی – اف به نرم افزار فلوئنت اعمال شده است. نتایج بدست آمده از روش پنس با نتایج تجربی موجود و نتایج مدل های دو معادله ای رنس در تحقیقات دیگر مقایسه شده که نشان میدهد روش پنس تطابق قابل قبولی با نتایج تجربی داشته و همچنین نسبت به مدل های دو معادله ای رنس دقیق تر است.
    کلیدواژگان: پره توربین گاز، خنک کاری لایه ای، جریان آشفته، رهیافت پنس
  • محسن نظری صفحات 281-290
    در این مطالعه جابجایی آزاد نانوسیال در مجاورت یک صفحه گرم عمودی و در محیط متخلخل در حالت عدم تعادل حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است. توزیع دمای صفحه به صورت خطی تغییر می کند و اثر مکش و دهش روی مساله به طور کامل بررسی شده است. در این بررسی فرض شده است که حرکت براونی و ترموفورز مکانیزم های محرک برای جابجایی آزاد نانوسیال در فیزیک مورد مطالعه است. با استخراج پارامتر تشابهی مناسب، معادلات حاکم با استفاده از روش تشابهی به معادلات دیفرانسیل معمولی تبدیل، و به روش عددی حل شده اند. حل تشابهی معادلات حاکم بر مساله در محیط متخلخل با وجود نانوسیال و جملات غیرخطی مانند ترموفورز از نوآوری های مقاله حاضر است. در این بررسی، میدانهای جریان و دما تعیین شده و عدد ناسلت برای فازهای سیال و جامد محاسبه شده اند. همچنین عدد شروود برای نانوذرات در گستره وسیعی از پارامترها تعیین شده و مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: حل تشابهی، جابجایی آزاد، نانو سیال، عدم تعادل حرارتی
  • سید اسماعیل موسوی تیله بنی، موسی فرهادی، کوروش صدیقی صفحات 291-304
    در مقاله ی حاضر با استفاده از مدل پتانسیل بین مولکولی روش شبکه ی بولتزمن سقوط قطره ی منفرد و دو قطره ی مجاور یک دیگر در اثر نیروی وزن و در یک کانال عمودی با دیوارهای اطراف در شرایط متفاوت اثرات دیوار بررسی شده است. نتایج شبیه سازی نشان داده است، اگر مرکز قطره ی رها شده، در زمان اولیه روی محور تقارن عمودی کانال باشد، این قطره روی همان محور تغییر شکل می دهد و روی خط مستقیم حرکت می کند؛ اما اگر در نزدیکی دیوار رها شود، به علت اثرات گوناگون، قطره از محور عمودی اولیه اش منحرف شده واگر عدد بی بعد اتوس خیلی پایین نباشد (Eo>5) حرکت نوسانی ایجاد می شود که با افزایش عدد بی بعد اتوس دامنه ی این نوسانات افزایش می یابد. اگر دو قطره که مرکز آن ها روی محور عمودی کانال با ارتفاع متفاوت قرار دارد رها شوند، به علت کاهش نیروی درگ در قطره ی بالایی در نهایت با هم برخورد کرده و تشکیل یک قطره ی بزرگ تر می دهند. در بخش پایانی مقاله نشان داده شد که اگر دو قطره در راستای عمودی و افقی متفاوت نسبت به هم رها شوند، تحت تاثیر اثرات نامتقارنی، تنش های ویسکوز و ساختار های پیچیده ی جریان و گردابه های اطراف قطره ها پدیده های جالبی مانند برخورد نامتقارن در عدد اتوس پایین و کشیده شدن قطره ی بالایی در عدد اتوس بالا مشاهده می شود.
    کلیدواژگان: سقوط قطره، روش شبکه ی بولتزمن، کانال عمودی، نیروی گرانش
  • ابراهیم گشتاسبی راد، سیدمحسن اعتصامی رنانی صفحات 305-314
    دم یکی از ارکان اصلی هواپیماست که وظیفه تریم، پایداری و کنترل هواپیما را بر عهده دارد. تا کنون انواع مختلفی از دم طراحی و ساخته شده است که هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند. هر نوع دم علاوه بر ویژگی های آیرودینامیکی مطلوب، باید پایداری لازم را ایجاد نموده و توانایی کنترل و تریم هواپیما را داشته باشد. آنچه در این پژوهش مطرح شده است بررسی اثرات دم H شکل بر ضرایب آیرودینامیکی هواپیما به همراه مخزن سوخت خارجی با استفاده از تستهای تونل باد می باشد. آزمایشات در تونل باد تراکم ناپذیر مرکز تحقیقات هوا فضا ساخت کارخانه ISI ایتالیا در سه عدد رینولدز 530000 ، 720000 و 800000 انجام شده است. مدل مورد استفاده در این مجموعه تست، مقیاس یک پنجم از یک نمونه هواپیمای کوچک است که امکان نصب یک فروند مخزن سوخت خارجی در زیر هر بال آن (مجموعا دو فروند در زیر دو بال) وجود دارد. این مدل دارای سطوح کنترلی شامل رادر و الویتور با قابلیت تغییر زوایا می باشد. نتایج، تغییرات پارامترهای آئرودینامیکی و محدوده پایداری را نسبت به زاویه حمله بدون مخزن سوخت و بدون زاویه حمله و با مخزن سوخت نشان می دهد.
    کلیدواژگان: دم H شکل، ضرایب آیرودینامیکی، تونل باد
  • سید عبدالمهدی هاشمی، مجید حاجیزاده صفحات 315-322
    در این تحقیق پایداری شعله V شکل در یک مشعل چرخشی پیش آمیخته مطالعه شده است. اثر نرخ آتش (نرخ انرژی ورودی بر واحد سطح)، نسبت هم ارزی و سرعت محوری جریان مخلوط سوخت و هوا بر پایداری شعله ی چرخشی V شکل بررسی شده است. برای ایجاد چرخش از چرخاننده ای با زاویه ی چرخش 45 درجه در مسیر هوای ورودی استفاده شده که منجر به ایجاد یک جریان چرخشی با عدد چرخش برابر78/0 شده است. مشاهدات نشان می دهد که شعله ی چرخشی V شکل در مخلوط رقیق سوخت و هوا (1> fi) تشکیل می شود. با افزایش نرخ آتش، سرعت جریان مخلوط در لحظه ی تشکیل شعله ی چرخشی V مستقل از دبی جریان بوده و در محدوده ی m/s1 تا m/s 5 به صورت خطی نسبت به نرخ آتش افزایش می یابد. برخاستگی شعله نیز با افزایش نرخ آتش در سرعت جریان و نسبت هم ارزی بالاتری رخ می دهد. بررسی خاموشی شعله نشان می دهد که با افزایش سرعت مخلوط ورودی خاموشی در نسبت هم ارزی کمتر و نرخ آتش بیشتری اتفاق می افتد. بدین ترتیب محدوده پایداری شعله V با افزایش دبی جریان افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: مشعل چرخشی، پایداری شعله، شعله ی V شکل، شعله پیش آمیخته
  • رامین حاجیان، آشیش داگا، اشتفن هارت صفحات 323-329
    این منظور از یک سامانه با ساختار سه بعدی هم جریان متشکل از یک جریان میانی (جت) و یک جریان بیرونی استفاده می-شود. محلولی از اتانول و روغن به صورت جت جریان دارد که با جریان آب احاطه شده است. انتقال جرم به صورت پخش ملکولی در راستای شعاعی سبب ایجاد حالت اشباع و در ادامه موجب جدایش فاز به صورت تشکیل نانوقطرات می شود. به دلیل وجود اختلاف غلظت در راستای شعاعی کانال، نانوقطرات تحت تاثیر جابجایی مارانگونی به سمت مرکز کانال حرکت می کنند و در آنجا تجمع می-کنند. در صورتیکه غلظت روغن به قدر کافی زیاد باشد تعداد نانوقطرات تولید شده و جمع شده در مرکز کانال به قدری افزایش می یابد که با هم برخورد کرده و قطراتی با قطر بالای 10 میکرومتر تشکیل می شوند. چنانچه غلظت روغن در محلول 10% باشد، قطرات تولید شده قطر متوسط بین 10 تا 30 میکرومتر خواهند داشت. اندازه میکروقطرات با افزایش دبی جت افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: تولید قطره، ریزسیالی، جابجایی حلال، اثر اوزو، جابجایی مارانگونی
|
  • Morteza Mahmudimanesh, Norollah Kasiri, Javad Ivakpour Pages 227-238
    In this paper, the problem of optimal distillation columns sequence determination for a multicomponent distillation system with heat integration between condensers and reboilers of various columns with using mathematical programming approach considered. Existence of nonlinear constraints also discrete and continuous variables in optimization model is reason that the problem will be a Mixed-Integer-Non-Linear-Program (MINLP). MINLP model that obtained from mathematical programming is solved with GAMS. Some of proposed method features are generality and flexibility for defining new operating conditions. In proposed MINLP model, the effect of heat integration on optimal sequence has been considered by simultaneous optimization of sequencing and energy demand. Energy saving using heat integration has become possible by regarding column pressure as a variable in optimization model. The Results obtained from solution of MINLP model for a four components separation, shows 25% saving in total annual cost that includes investment, operation costs and energy consumption. . .
    Keywords: Distillation columns sequence, Heat integration, Optimization, Mathematical program, Mixed, Integer, Non, Linear, Programming (MINLP)
  • Shahide Sayadian, Kiumars Mazaheri Pages 247-256
    One of the most significant emissions of gas turbine is NOx. In present work a gas turbine combustor is simulated with the aim of reducing NOx. In most research and industrial cases, steam is injected into the combustor separate or premixed with air for reducing NOx emissions. In CLN technique, steam is injected into the combustor premixed with fuel. CFD simulation is done for an axisymmetric non premixed combustor and the ability of different combustion models on NOx and temperature prediction is investigated. Results show EDC model which can implement different mechanisms predicts NOx production more accurate than other models. Also the influence of injection of premixed steam-fuel into the combustor is investigated and is compared to the injection of premixed steam-air and no steam injection cases. Steam injection into the combustor is done by increasing mass flow rate via increasing the nozzle diameter in constant inlet velocity. Results show that the injection of premixed steam-fuel causes 5.8 percent and 4.7 percent further decrease in NOx and CO production in comparison with other case.
    Keywords: Gas Turbine Combbustor, Numerical Simulation, NOx Reduction, Steam Injection
  • Mojtaba Moradzadeh, Behzad Ghasemi Pages 257-266
    The present paper reports numerical results of mixed-convection heat transfer with nanofluid in a horizontal ventilated cavity heated from below and provided with an thin partition on the heated surface. Free flow at cold temperature enters the cavity and takes heat from a heat source. Discretization of the governing equations are achieved through a finite volume method and solved with the SIMPLE method. The effects of the governing parameters, such as the Richardson number, , the baffle position from the inlet, , solid volume fraction, ,and the nanoparticle type on the fluid flow and heat transfer characteristics are studied in detail. The results show that increases in Richardson number results in reduction of the average Nusselt number and increase in solid concentration leads to increases in the average Nusselt number. Also, the results predict an optimal value for baffle position.
    Keywords: Mixed convection, nanofluid, ventilated cavity, baffle
  • Nima Hosseini Vajargah, Mohammadreza Salimi, Mohammad Taeibi, Rahni Pages 267-280
    At the present research, Film Cooling around a gas turbine blade has been studied numerically via Partially Navier-Stokes Simulation (PANS) approach which is one the most success approaches of Very Large Eddy Simulation (VLES) in turbulence flow. For detail investigation of flow around gas turbine blade (airfoil with film cooled holes on leading edge) has been simulated in three dimensions and inlet temperature and blade surface temperature has been considered: 409.5° C and 297.7° C respectively. Inlet Reynolds number is 8.42 X 105. Inlet flow is fully turbulent and turbulence intensity has been set on 0.052 meanwhile secondary flow effect in up and bottom of blade has been waived. Numerical calculation has been done by Fluent and partially averaged Navier- Stokes equations (PANS) have been applied to fluent by UDF’s. The obtained results from Partially Navier-Stokes Simulation (PANS) method have been compared with existed experimental data and other RANS two-equations models in other researches and it demonstrate that Partially Navier-Stokes Simulation (PANS) approach results has admissible correspondence with experimental data in addition these results are accurate than RANS two- equations models.
    Keywords: Gas Turbine Blade, Film Cooling, Turbulence Flow, PANS Approach
  • Mohsen Nazari Pages 281-290
    In the present study , we have investigated the external free convection of a nanofluid near a vertical heated surface embedded in a saturated porous medium using the thermal non - equilibrium assumption. The vertical surface has a linear temperature distribution with a uniform mass suction or injection. Assuming the Brownian motion and thermophoresis as the primary driving mechanisms of free convection of the nanofluid , suitable volume averaged equations are employed. We have also followed similarity solution method for transforming the governing equations in to the ordinary differential equations. The new set of ordinary equations is solved numerically by the Shooting method and the flow and temperature fields are determined completely. The obtained numerical results are employed for calculating the Nusselt numbers for both the solid and liquid phases in the physical domain. Moreover , the Sherwood number for the nanoparticles is determined over a wide range of parameters.
    Keywords: Similarity Solution, Natural Convection, nanofluid, Thermal non, Equilibrium
  • S. Esmaeil Mousavi Tilehboni, Mousa Farhadi, Kurosh Sedighi Pages 291-304
    In the present study, falling a single droplet and two adjacent droplets under gravity force, in the vertical channel with side walls and for different situations of wall effects are simulated, using the inter molecular potential model of lattice Boltzmann method. Dynamic behavior of falling droplet is simulated. The simulation results are shown in the falling droplet with initial lateral position on the centerline (vertical axis of symmetry) of channel, the droplet has been moved down straight along the centerline with no lateral motion. For the falling movement of the droplet near wall, due to various effects on droplet, it has been diverted from its initial vertical axis. If Eotvos number is not very low (Eo>5)... .
    Keywords: Falling droplet, Lattice Boltzmann method, Vertical channel, Gravity force
  • Ebrahim Goshtasbirad, Saied Mohsen Eatesami Renani Pages 305-314
    Tail is one of the main components of aircraft to provide stability, control and trim. As yet, different type of Tails are designed and produced by manufacturers that each one has specific advantages. Since each tail has its own desired aerodynamic properties; it must stabilize, trim and control the aircraft. In this research, the effect of H type tail on aerodynamic coefficient of an aircraft is investigated experimentally using wind tunnel. Tests are done in incompressible wind tunnel of Aerospace Central Research made by ISI Company at Reynolds numbers 5300000, 720000, and 800000. The size of model is one fifth of a small aircraft which an external fuel tank is mounted under each wing. This model has control surfaces such as: ruder and elevator with variable angles. Results show the variation of aerodynamic coefficients and stability domain with attack angle of the aircraft model without external fuel store and zero angle of attack and with external fuel tank.
    Keywords: H type tail, aerodynamic coefficients, wind tunnel
  • Seyed Abdolmehdi Hashemi, Majid Hajizadeh Pages 315-322
    In this work, stability of V shaped flame in a premixed swirl burner is studied. The effect of firing rate (input energy per unit area), equivalence ratio and axial velocity of fuel and air mixture on the stability of a V shaped flame is studied. For swirl generation, a 45o angle swirler is used in the air inlet, which yields a flow with a swirl number of 0.78. Observations show that V shaped flame is formed in a lean mixture of fuel and air (1> fi) . When firing rate increases, it is observed that flow velocity at V flame formation instant is independent of flow rate and increases linearly from 1 m/s to 5 m/s. flame lift off occurs in larger equivalence ratio and mixture velocity when firing rate increases. With increasing mixture velocity, flame quenching occurs in smaller equivalence ratios and larger firing rates. Hence, stability limit of V flame increases with increasing cross section.
    Keywords: Swirl burner, flame stability, V shaped flame, premixed flame
  • Ramin Hajian, Ashish Daga, Steffen Hardt Pages 323-329
    A novel approach for microfluidic droplet generation via “solvent shifting” is presented in this paper based on an experimental investigation. In a 3D co-flow configuration with a jet of ethanol/oil mixture surrounded by water flow, the lateral diffusion leads to supersaturation followed by a phase separation and consequently formation of oil nanodroplets. Due to the solutal Marangoni effect the nanodroplets migrate inward and they get collected at the channel centerline. For high concentrations of the oil the density of the nanodroplets is so high that they can merge and produce microdroplets. If the mixture contains 10% oil, the average diameter of the produced microdroplets is within the range 10-30 µm for various jet flow rates. The size of microdroplets increases with the flow rate of the jet. Overall, for the first time we show that it is practical to generate microdroplets of different sizes by solvent shifting approach in a microfluidic setup.
    Keywords: Droplet Generation, Microfluidics, Solvent Shifting, Ouzo Effect, Marangoni Convection