فهرست مطالب

مکانیک هوافضا - سال چهاردهم شماره 3 (پیاپی 53، پاییز 1397)
  • سال چهاردهم شماره 3 (پیاپی 53، پاییز 1397)
  • انتقال حرارت و پیش رانش
  • 106 صفحه، بهای روی جلد: 100,000ريال
  • تاریخ انتشار: 1397/08/22
  • تعداد عناوین: 8
|
  • گرایش انتقال حرارت و پیشرانش
  • اصغر عظیمی، حجت قاسمی صفحات 1-17
    هدف از این مقاله، به کارگیری روش شبکه برای تحلیل سریع محفظه احتراق توربین های گاز می باشد. این روش یک محفظه احتراق به وسیله گره ها و المان های متصل به آن ها، به شبکه ای از جریان های مستقل از هم تقسیم می شود. معادلات اساسی که در روش شبکه باید ارضا شوند معادلات بقای جرم و انرژی برای هر گره و رابطه افت فشار- دبی برای هر المان می باشد.این معادلات یک دستگاه معادلات متشکل از دبی جرمی و افت فشارها را تشکیل می دهند که با حل آن در گره ها مقادیر جدید برای فشار، دبی و چگالی به دست می آید. این روند تا رسیدن به شرط همگرایی تکرار می شود.برای مدل سازی جریان از روابط متداول برای لوله ها و اریفیس ها استفاده شده است. برای مدل سازی اثر احتراق نیز، از احتراق تعادلی در نواحی احتراق اولیه و ثانویه استفاده شده است. اثر ترقیق جریان نیز با ورود هوا به جریان محصولات ناحیه احتراق ثانویه منظور شده است. دمای لاینر نیز با در نظر گرفتن آثار انتقال حرارت جابجایی و تشعشع محاسبه شده است. با این روش در یک محفظه احتراق قوطی، ابتدا جریان سرد تحلیل شده و طی آن دبی جرمی و افت فشارها در المان ها به دست آمده است. سپس با در نظر گرفتن احتراق کروسین، توزیع دبی جرمی، فشار، دما، و اجزا محصولات احتراق به دست آمده است. نتایج به دست آمده با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است و همسویی بسیار خوبی نشان داده شده است. کیفیت نتایج و روند حل مسئله، نشان می دهند که روش شبکه قادر است تحلیل مناسبی را در زمان بسیار کمی به طراحان محفظه ارائه کند.
    کلیدواژگان: محفظه احتراق، روش شبکه، احتراق، انتقال حرارت
  • محمد انصاری، مجید بازارگان صفحات 19-28
    خنک کاری پره ها از چالش های پیش رو در توسعه توربین های گازی است. به منظور بهبود انتقال حرارت در داخل پره، از کانال های خنک کاری استفاده می شود. استفاده از دندانه های تکرارشونده در سطوح داخل کانال تاثیر قابل توجهی بر مشخصه های جریان سیال و انتقال حرارت دارد. در مطالعه حاضر به شکل عددی به مطالعه تاثیر دندانه های تکرار شونده با گام تکرار و ارتفاع معین پرداخته شده است. برای جریان های با اعداد رینولدز 10000 تا 80000، جریان آشفته سیال و انتقال حرارت مورد شبیه سازی قرار گرفت. روش حجم محدود مورد استفاده قرار گرفت، برای شبیه سازی آشفتگی از مدل استاندارد k – ε استفاده شد. شرط مرزی حرارتی شار حرارتی ثابت در دیواره کانال بود. مقدار شار حرارتی به نحوی تعیین گردید تا اختلاف دما بین 10 تا 15 درجه سانتیگراد باشد. نتایج مطالعه حاضر با نتایج تجربی موجود در شرایط مشابه مورد مقایسه قرار گرفت. ضریب افت فشار در هر دو حالت دوبعدی و سه بعدی تشابه خوبی با مقادیر تجربی داشت. ضریب انتقال حرارت که در محاسبه دوبعدی حاصل شد، تفاوت اندکی با نتایج تجربی داشت. دقت نتایج شبیه سازی سه بعدی برای ضریب انتقال حرارت در محدوده رینولدز پایین مناسب نبود، اما با افزایش عدد رینولدز به طور پیوسته بهبود یافت. مشاهده شد که حداکثر انتقال حرارت و افت فشار به ترتیب در حدود بیش از 200% و 300% افزایش پیدا کرد. از دلایل افزایش انتقال حرارت می توان به ایجاد جریان های ثانویه و ایجاد گسستگی در رشد لایه مرزی اشاره نمود.
    کلیدواژگان: انتقال حرارت جابه جایی، کانال، دینامیک سیالات محاسباتی، دندانه، بهبود انتقال حرارت
  • علی میرمحمدی، محمدرضا حسین آبادی صفحات 29-39
    افزایش نگرانی های زیست محیطی در چند دهه اخیر باعث توجه اساسی به تشکیل و انتشار آلوده کننده های محیط زیست و نحوه کنترل آن ها شده است. در این تحقیق اثر عمق و قطر کاسه سمبه بر روی عملکرد و آلایندگی موتور دیزل سواری تزریق مستقیم بررسی شد. برای این منظور از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی سه بعدی ای وی ال فایر برای شبیه سازی چرخه موتور استفاده شد. با اعمال معادلات احتراق، آشفتگی و آلایندگی، چرخه بسته موتور دیزل تزریق مستقیم شبیه سازی شد. بعد از بررسی استقلال نتایج حل از تعداد سلول های محاسباتی و اعتبارسنجی نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی، موتور با چهار هندسه مختلف کاسه سمبه شبیه سازی شد و نتایج فشار، نرخ گرمای آزاد شده، دمای داخل استوانه و مقدار آلایندگی آنها با هم مقایسه گردید. نتایج نشان داد هندسه کاسه سمبه چهارم به-دلیل داشتن قطر دهانه کاسه بزرگتر و عمق کمتر، کمترین برخورد جت سوخت به دیواره را داشته و از طرفی بهترین اختلاط را در داخل محفظه احتراق ایجاد می کند و دارای عملکرد بهتر و میزان آلایندگی کمتری است. همچنین در این تحقیق دیده شد که با کاهش اندازه قطر دهانه کاسه سمبه و افزایش عمق آن، تولید مقدار آلاینده اکسید نیتروژن کاهش و آلاینده های منوکسید کربن، هیدروکربن نسوخته و دوده افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: موتور ملی دیزل، هندسه کاسه سمبه، چرخه بسته، شبیه سازی عددی
  • امیرحسین معینی، مهران رجبی زرگر آبادی صفحات 41-54
    در این مقاله، بهینه سازی اثربخشی خنک کاری لایه ای در یک پره توربین در حال چرخش، با استفاده از مجرای گسترش یافته جانبی انجام شده است. شبیه سازی عددی سه بعدی خنک کاری پره توربین با استفاده از مدل آشفتگی k-ε RNG در سه سرعت چرخش صفر، 300 و 500 دور بر دقیقه انجام شده است. نتایج به دست آمده، نشان می دهد که افزایش سرعت دورانی پره به واسطه ایجاد شتاب کریولیس، منجر به انحراف جریان هوای خنک کننده از روی خط مرکزی می شود. انحراف جریان هوای خنک کننده باعث کاهش میزان اثربخشی خنک کاری در خط مرکزی پره به ویژه در پایین دست سوراخ تزریق می شود. مقایسه نتایج سوراخ تزریق استوانه ای (بیضوی) و مجرای گسترش یافته جانبی، نشان می دهد که اختلاط هوای خنک کاری با جریان گرم در مجرای گسترش یافته جانبی، کمتر از سوراخ استوانه ای خواهد بود. استفاده از مجرای گسترش یافته جانبی در سرعت های چرخش صفر، 300 و 500 دور بر دقیقه منجر به افزایش اثربخشی خنک کاری توربین به ترتیب به میزان 39، 38 و 35 درصد خواهد شد.
    کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، خنک کاری لایه ای، پره توربین، مجرای گسترش یافته جانبی، سرعت چرخش
  • محمد مهدی دوستدار، حامد حمیدی صفحات 55-69
    زمان بندی متغیر سوپاپ ها به عنوان یکی از عوامل موثر بر کارکرد یک موتور بنزینی در این پژوهش مورد توجه قرار گرفته است. زمان باز شدن، بسته شدن، مدت زمان باز ماندن و مقدار خیز سوپاپ های ورودی و خروجی به عنوان پارامترهایی هستند که در مقوله زمان بندی متغیر سوپاپ ها می توان به آنها پرداخت و تاثیر هر یک از آنها را در عوامل عملکرد ترمودینامیکی موتور و اتلافات حرارتی بررسی نمود. در این مقاله با استفاده از برنامه پیش پردازنده K3PREP یک مش متحرک با سازمان شامل سوپاپ ها و راهگاه های ورودی و خروجی تولید شده است. آن گاه به کمک برنامه شبیه ساز KIVA-3V و با توجه به تغییرات اعمالی بر روی هر یک از پارامترهای زمان بندی سوپاپ ها به تحلیل نتایج به دست آمده پرداخته شده است. شبیه سازی بر روی یک موتور اشتعال جرقه ای صورت گرفته است. مقایسه نتایج این شبیه سازی با نتایج تجربی حاکی از تطابق رضایت بخش است.
    کلیدواژگان: عددی، موتور اشتعال جرقه ای، زمان بندی متغیرسوپاپ ها، حلگر KIVA-3V
  • امیرحسین عبدالهی، مهرداد بزاززاده، اسماعیل ولی زاده صفحات 71-82
    در فرآیند طراحی موتور سوخت مایع انتخاب نوع روش خنک کاری محفظه تراست، نقش مهمی در حفاظت و طول عمر موتور بازی می کند. همچنین درک صحیح از مشخصه های جریان داخل محفظه تراست موتور ، نظیر دما و فشار در نواحی مختلف محفظه، نقش موثری در بهینه کردن طراحی موتور به منظور بهبود عملکرد، کاهش مصرف سوخت و نیز چگونگی خنک کاری جداره محفظه تراست، ایفا می نماید. یکی از راه کارهای خنک کاری، کاهش دمای احتراق در نزدیکی جداره از طریق پاشش سوخت اضافه در این ناحیه می باشد. در این تحقیق مطالعه عددی بر روی تاثیر فیلم خنک کاری بر میزان کاهش دمای جداره نسبت به حالتی که فقط انتقال حرارت ترکیبی در دیواره وجود دارد انجام شده است.
    کلیدواژگان: موتور سوخت مایع، شبیه سازی عددی، محفظه تراست، فیلم خنک کاری، انتقال حرارت
  • محمدرضا شاه نظری، زهرا احمدی، فاطمه نیکان صفحات 83-93
    بررسی انتقال حرارت در محیط متخلخل دارای کاربردهای فراوانی در صنعت می باشد. در این مقاله از تبدیلات لاپلاس و روش اغتشاشات منفرد برای حل انتقال حرارت یک بعدی در محیط متخلخل نیمه بی نهایت، با فرض ضریب هدایت حرارتی کوچک، استفاده شده است. مشابه حل ویلاتورو و همکاران [1] دو ناحیه حل خارجی و داخلی در نظر گرفته شده است. به منظور تطابق این دو ناحیه یک روش تطابق جدید پیشنهاد شده است. همچنین شرط مرزی نوع سوم در دیواره به شرط مرزی نوع اول تبدیل و سپس در مساله اعمال شده است. مقایسه این حل با حلی که از کاربرد مستقیم شرط مرزی نوع سوم به دست آمده است، دقت خوب این روش را نشان می دهد جز در نزدیک دیواره که اختلاف کوچکی بین این دو پاسخ وجود دارد. این ایده می تواند به عنوان یک روش مفید در ساده سازی تحلیل مسائل مورد استفاده قرار گیرد. البته در مواردی که دقت خوب پاسخ در ناحیه ی تغییر شرط مرزی از نوع سوم به اول مورد توجه باشد؛ به عبارت دیگر پیش بینی شیب و یا تغییرات شیب با دقت بسیار بالا مد نظر باشد، این روش ممکن است منجر به اخذ نتایج تقریبی گردد. هر چند کاربرد این روش به ویژه در تحلیل مسائل مقدار مرزی، در برآورد مقادیر ویژه توابع خاص می تواند بسیار پر اهمیت و کاربردی باشد.
    کلیدواژگان: انتقال حرارت، اغتشاشات منفرد، تبدیل لاپلاس، ضریب هدایت حرارتی
  • نوذر اکبری صفحات 95-104
    در این تحقیق، ناپایداری آیرودینامیکی کمپرسور موتور J79، به روش تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور از معادلات اصل بقای جرم، اصل بقای ممنتوم و اصل بقای انرژی استفاده شده است. پس از اعمال یک سری فرضیات و همچنین با تشکیل ماتریس مرتبط با معادلات و بررسی مقادیر ویژه آنها، تاثیر پارامترهای موثر در پایداری آیرودینامیکی کمپرسور، مورد ارزیابی قرار گرفته است. با توجه به پیچیدگی روابط مورد استفاده در تشکیل ماتریس، این روابط در نرم افزار متلب، کدنویسی شده و سپس ماتریس مورد نظر فراهم شده است. سپس با اعمال مشخصات هندسی و خصوصیات جریان در موتور J79 روی ماتریس مورد نظر و استخراج نمودارهای مربوطه، تاثیر برخی پارامترها برروی پایداری آیرودینامیکی موتور مذکور، مطالعه شده است. با توجه به نتایج به دست آمده، مشاهده می شود که با کاهش جریان جرمی عبوری از کمپرسور، سیستم به محدوده عملکردی ناپایدار نزدیک می شود. آنچه از نتایج مستناد گردیده، مبین آن است که با افزایش نسبت طول (دالان مسیر) داکت بالادست کمپرسور به طول داکت پایین دست آن، پایداری آیرودینامیکی سیستم افزایش یافته است. نتایج همچنان نشان می دهند که با افزایش حجم محفظه احتراق، از پایداری موتور کاسته می شود. با این وجود افزایش حجم کمپرسور، سبب پایداری بیشتر سیستم شده است. افزایش دمای محفظه احتراق و همچنین افزایش سطح مقطع جریان عبوری از کمپرسور نیز دارای اثرات مطلوب در پایداری سیستم گردیده اند. همچنین در مقاله حاضر نتایج به دست آمده، با نتایج حاصل از مطالعات پیشین مقایسه شده اند و همسویی خوبی بین هردو نتایج مشاهده شده است.
    کلیدواژگان: توربوجت، کمپرسور، سرج، واماندگی دورانی، ناپایداری آیرودینامیکی
|
  • Asghar Azimi, Hojjat Ghassemi Pages 1-17
    This paper deals with utilization of the network method to fast analysis of the gas turbine combustors. In this method, a combustor is divided into several independent flows by some nodes and interconnecting elements. The fundamental equations which should be satisfied in the network method are conservation equations of mass and energy at each node and the pressure drop-flow rate correlation for each element. These equations constitute a system of equations of flow rate and pressure drop. Solving this system using a set of initial value gives pressure, flow rate, and density at each node that finally leads to a converging solution. The conventional relations for pipes and orifices are used for flow modeling. In order to combustion modeling, equilibrium assumption is applied in the primary and secondary combustion zones. The dilution effect is considered by entering the air from dilution holes into the flow of combustion products. The liner temperature is calculated by considering the effects of convection and radiation in the combustor. By the network method in a can type combustor, at the first step a cold flow analysis is performed and the flow rate and the pressure drop in each element are obtained. In the next step by including the combustion of kerosene and heat transfer, the distribution of flow rates, pressure, temperature, and species concentration of combustion products are calculated. The computation results are compared with the existing experimental data and an excellent agreement is seen. The quality of results and the solution procedure of the problem show that the network method is able to present a costly and accurate analysis to help the combustor designers
    Keywords: Combustor, Network method, Combustion, Heat transfer
  • Mohammad Ansari, Majid Bazargan Pages 19-28
    Cooling of blades is a challenge in advancement of gas turbines. Channels are used inside the blades to improve the heat transfer. Repeated ribs have significant impact on the heat transfer and pressure drop characteristics of a channel. In this study the effect of ribs with specified geometry is numerically investigated. In a relatively large range of Reynolds from 10000 to 80000, the fluid flow and heat transfer were simulated. The finite volume method was implemented. To model the turbulence, the standard k– ε model was used. The thermal boundary condition was the constant heat flux at the channel surfaces. The magnitude of the heat flux was assigned in a way to result in temperature difference from 10 K to 15 K. The results of current research were compared to the available experimental data under similar flow conditions. The coefficient of pressure drop was comparable with experimental data both in two dimensional and three dimensional cases. In the two dimensional simulation, the heat transfer coefficient was similar to the experimental data in the range of this study. In the three dimensional simulation, accuracy of the heat transfer coefficient in the case of low Reynolds was not satisfactory. However, it improved progressively as the Reynolds number increased. It was observed that, the maximum improvement in the heat transfer and pressure drop are about more than 200% and 300% respectively. Heat transfer augmentation could be explained by the presence of the secondary flows and disruption of the boundary layer growth due to the ribs.
    Keywords: Convection, Channel, Computational fluid dynamics, Ribs, Heat transfer augmentation
  • Ali Mirmohamadi, Mohammadreza Hosseinabadi Pages 29-39
    Increasing environmental concerns in recent decades has caused a significant attention to pollutants emission and the ways to control them. Piston cavity diameter and dept effects on direct injection diesel engine performance and emissions were studied in this research. AVL FIRE 3D CFD software was used for engine cycle simulation in this studying. By applying the combustion, turbulence and pollution equations, the direct injection diesel engine closed cycle has simulated numerically. After mesh independency analyzing and simulation results validation with experimental data, the engine simulation was done for four different piston bowl geometries and the results such as incylinder pressure, heat release rate, temperature and emissions. Then the results were compared for all geometries. The results shown that there is less wet wall for geometry 4 that has large diameter and low dept and it can be concluded that incylinder mixing process and combustion for this geometry is better and it has good performance and low emission in comparison to other one. Also the results shown that nitrogen oxide emission reduced by reducing the diameter and increasing the depth of the piston bowl, but it increase unburned hydrocarbons, carbon monoxide and soot emissions.
    Keywords: National National Diesel Engine, Piston Bowl Geometry, Closed Cycle, Numerical Simulation
  • Amirhossein Moeini, Mehran Rajabi Zargar Abadi Pages 41-54
    In this paper, the optimization of the film cooling effectiveness over a rotating blade is performed using the laterally diffused hole. The three-dimensional numerical simulation of blade cooling is performed using RNG k-ε turbulence model for three rotating speeds, i.e., 0, 300 and 500 rpm. Results show that the film trajectory always inclines due to the Coriolis force acts in the centrifugal direction. The film cooling deflection becomes greater with increasing the rotational speed. The comparisons of results show that, for the laterally diffused hole, the mixing of the hot gas flow with the injected coolant flow is less that the cylindrical hole. Applying the laterally diffused hole consequences the increase of film cooling effectiveness by the 39, 38 and 35 percent at the rotating speeds of 0,300 and 500 rpm respectively.
    Keywords: Numerical simulation, Film-cooling, Turbine blade, laterally-diffused hole, Rotation speed
  • Mohammadmahdi Doustdar, Hamed Hamidi Pages 55-69
    Variable timing of valves is one of the effective factors on performance of a spark ignition (SI) engine. The time of opening, closing, duration of open state, and the amount of lift for inlet and exhaust valves are the parameters that must be considered in variable valve timing issue. These parameters influence thermodynamic performance factor and heat loss of an engine. In this paper at first, using K3PREP pre-processor, a structured moving mesh was generated for valves as well as for inner and outlet runners. Then, using KIVA-3V as the main solver, the variation effects of each valve timing parameters on the engine performance were studied. The simulation was done on a SI- engine. Comparison between simulation and experiment results indicates satisfactory agreement.
    Keywords: Numerical simulation, SI- engine, Variable valve timing, KIVA-3V solver
  • Amirhossein Abdollahi, Mehrdad Bazzazzadeh, Esmaeil Valizadeh Pages 71-82
    In designation process of liquid rocket engine, selection of cooling rout of thrust chamber have important role for assessing safety and reliability of the engine. Also the correct perception of internal flow characteristics in LRE thrust chamber, such as temperature and pressure, plays effective role in optimization of engine design to decrease consumption fuel and how to cooling the thrust chamber wall. One of the ways to cooling the thrust chamber wall to decrease the combustion temperature near the wall is injection extra fuel in this section. In this paper, numerical investigation of the effect of film cooling with mixed heat transfer on decrease the thrust chamber wall temperature in the LRE, relative to condition that only exist mixed heat transfer in the wall was performed.
    Keywords: Liquid Rocket Engines, Numerical Simulation, Thrust Chamber, Film Cooling, Heat Transfer
  • Mohammadreza Shahnazari, Zahra Ahmadi, Fateme Nikan Pages 83-93
    The study of heat transfer in porous media has many applications in industry. In this work, heat transfer between an inert gas and a semi infinite porous media based on Singular Perturbation method and with using of Laplace Transform, has been studied. To solve this problem with this approach, the thermal conductivity is assumed to be small. Also, the solution is expressed in both inner and outer layer. For matching these two layers a matching method is suggested. This approach shows a good accuracy for small values of parameter, small thermal conductivity. One time the problem is solved by using the third kind boundary condition on the wall and one time this boundary condition is changed into first kind and then has been considered in problem. With comparing between this solution and the solution of using boundary condition of third kind shows the good accuracy of this approach, except near the wall that there occurred small differences between these two solutions. This idea can be used as a useful method in simplifying the analysis of the issues. But in cases that the good accuracy of solution or slop changes with high precision is important, this procedure may be caused approximate results.
    Keywords: Heat transfer, Singular perturbation, Laplace Transform, Thermal conductivity coefficient
  • Nozar Akbari Pages 95-104
    In this article, aerodynamic stability of J79 compressor was analytically investigated. For this purpose, conservation equations of mass, momentum and energy were applied with several assumptions. By accomplishment of equations related matrix as well as investigating its eigenvalues, the effect of parameters on aerodynamic stability were assessed. Due to the complexity of the equations used in the matrix, the equations codes in MATLAB and the desired matrix have been provided. By applying the geometry and flow characteristics of J79 engine on the matrix and extract the relevant diagrams, the effect of some parameters on the aerodynamic stability of the engine is evaluated. According to the results, by reducing the mass flow rate through the compressor, the system tends to be working in an unstable condition. By increasing the ratio of upstream to downstream compressor duct length, the aerodynamic stability of the system will increase. Increasing the plenum volume will yield to a considerable reduction in stability. But by increasing the volume of compressor, the system stability will increase. Enhancing the combustion chamber temperature and also increasing the compressor flow area have favorable effects on system stability. The results of this study compared with previous outcome. Significant achievements were observed between both aforementioned results Relatively good alignment between the results has also been observed.
    Keywords: Turbojet, Compressor, Surge, Rotating Stall, Aerodynamic Instability