فهرست مطالب

مکانیک سیالات و آیرودینامیک - سال هشتم شماره 1 (بهار و تابستان 1398)
  • سال هشتم شماره 1 (بهار و تابستان 1398)
  • تاریخ انتشار: 1398/04/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • عباس ابراهیمی*، مصطفی نوذری صفحات 1-14
    در پژوهش حاضر، اثر لایه برشی باد (لایه مرزی اتمسفری) روی عملکرد و رفتار جریان حول روتور توربین باد مرجع MW5 ان.آر.ای.ال. بررسی شده است. برای این منظور، روش دیسک عملگر سه بعدی پایا با دقت قابل قبول و هزینه محاسباتی کم برای حل معادلات جریان حول روتور توسعه داده شده است. با استفاده از قابلیت تعریف توابع توسط کاربر در یک نرم افزار تجاری برمبنای روش حجم محدود، کدی برای اعمال ممنتوم مجازی به سیال و پروفیل جریان ورودی ناشی از لایه مرزی زمین نوشته شده و معادلات ناویر- استوکس در میدانی استوانه ای با اضافه شدن عبارت نیروی حجمی به عنوان عبارت چشمه حل می شود. روش دیسک عملگر سه بعدی که در این پژوهش توسعه داده شده، قادر است با حل معادلات ناویر- استوکس در ترکیب با الگوریتم ممنتوم- المان- پره دقت بهتری از رفتار جریان حول توربین نسبت به روش ممنتوم- المان- پره ارائه کند و درعین حال هزینه محاسباتی کمتری نسبت به حل کامل معادلات جریان داشته باشد. به علت عدم تقارن جریان ورودی به صفحه روتور، پره های توربین شرایط مختلفی را درحین دوران تجربه می کنند. بنابراین، توزیع توان و نیروی محوری در راستای شعاعی پره ها در سه موقعیت زاویه ای روتور مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد که جریان برشی ورودی به صفحه روتور سبب عدم تقارن در الگوی جریان دنباله روتور، میدان فشار، سرعت و ورتیسیته جریان حول روتور و همچنین بارگذاری متناوب روی پره ها می شود. برای پروفیل لایه مرزی اتمسفری انتخاب شده در این پژوهش، بیشترین اختلاف نیروی محوری وارد بر هر پره حدود kN125 است که مابین دو موقعیت زوایای 90 و 270 درجه درحین دوران رخ می دهد. همچنین، در این حالت  عدم تقارن فیزیک جریان حول روتور سبب ایجاد فشار بیشتر به نیمه بالایی دیسک عملگر شده، باعث ایجاد گشتاوری خمشی بر صفحه روتور می شود.
    کلیدواژگان: توربین باد محور افقی، دیسک عملگر، جریان برشی، لایه مرزی زمین
  • حمید کاظمی مقدم، روزبه شفقت*، علی حاجی آبادی صفحات 15-24
    در این پژوهش، در ابتدا شکل معمول یک شناور تک بدنه و تندروی مشخص، با حفظ پارامترهای هندسی، نظیر زاویه ددرایز، خط کیل، پهنای شناور و طول شناور به فرم تونل دار تبدیل شده است. با در نظر گرفتن شرایط بار کامل و بدون بار صورت گرفته، فرایند بهینه سازی ابعاد تونل نیز در بیشینه وزن و سرعت عملیاتی انجام شده است. توجه شود که برای کاهش پسا، پارامترهای هندسی زیادی در بخش‏های مختلف تونل در طراحی و بهینه‏سازی تونل موثرند. در این مطالعه، سعی بر آن بوده که برای دست یابی به شکل بهینه تونل، اثرات سه پارامتر دهانه تونل، ارتفاع تونل و ارتفاع گوشواره (بلید) به صورت همزمان  بررسی شوند. جهت دست یابی به این هدف، شبیه سازی عددی به کمک روش حجم محدود با در نظر گرفتن شبکه متحرک، انجام شده است. برای مدل سازی آشفتگی از مدل k-Ԑ و برای شبیه سازی سطح آزاد از مدل دو فازی حجم سیال استفاده شده است. برای انتخاب نمونه های مورد نیاز برای آزمون عددی، از روش تاگوچی استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که دهانه تونل تاثیرگذارترین پارامتر در افزایش سرعت عملیاتی می باشد. همچنین، با بهینه سازی تونل می توان پسا را تا حدود 20 درصد در وزن و سرعت عملیاتی کاهش داد.
    کلیدواژگان: شناور تندروی تونل دار، شبکه دینامیکی، پسا، مدل حجم سیال، طرح آزمایش تاگوچی
  • محمدحسین تقی زاده ولدی، محمدرضا عطرچیان*، الهام چاوشی، عطا جعفری شال کوهی صفحات 25-42
    در این مقاله، با مدل سازی عددی مسئله ورود به آب پرتابه های سه بعدی با اشکال هندسی مختلف و ارتفاع سقوط و آرایش سوراخ های متفاوت به روش کوپل اویلری-لاگرانژی، تاثیر پارامترهای مذکور بر سرعت حرکت پرتابه در عمق آب و زمان و عمق جدایش حباب با استفاده از نرم افزار تجاری اجزای محدود آباکوس 6/14-2 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حل عددی از مقایسه و تطابق مناسب با نتایج تئوری و آزمایشگاهی موجود شامل مسیر حرکت یک پرتابه کروی در عمق آب، شکل حباب هوای تشکیل شده و زمان و عمق جدایش آن،       صحت سنجی گردید که بیانگر دقت و کاربرد الگوریتم عددی مورد استفاده بود. نتایج نشان داد که عمق جدایش حباب متاثر از شکل هندسی پرتابه است و با افزایش ارتفاع سقوط آن از سطح آزاد آب، به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. در حالی که، زمان جدایش حباب تابع ضعیفی از پارامترهای مذکور می باشد. همچنین، نیروی پسا بر پرتابه های با سطح تماس مسطح و تیزگونه، به ترتیب بیشترین و کمترین تاثیر را دارد. از این رو، پرتابه مکعبی که از بیشترین استهلاک سرعت در عمق آب برخوردار است، با سرعت m/s57/1 به بستر مدل برخورد نموده و جدایش حباب در عمق cm63 رخ می دهد. در حالی که، پرتابه مخروطی با کمترین استهلاک سرعت در عمق آب، دارای سرعت برخورد m/s88/3 است و جدایش حباب در عمق cm98 اتفاق می افتد.
    کلیدواژگان: ورود به آب، شکل هندسی، آرایش سوراخ، ارتفاع سقوط، کوپل اویلری-لاگرانژی
  • نعمتاللهکدخدا*، حسین جعفری صفحات 43-53
    ابتدا، هدف این مقاله به دست آوردن معادلات غیرخطی برای توصیف امواج فشار در یک جریان لزج حاوی حباب های گازی می باشد. بدین منظور، معادلات غیرخطی مرتبه چهارم و بعضی از موارد خاص آن ها برای توصیف تغییرات فشار امواج در ترکیب حباب های گاز در مایع در نظر گرفته شده است. سپس، با در نظر گرفتن تاثیر لزجت و وجود انتقال حرارت، یک رابطه دیفرانسیلی بین فشار ترکیب مایع و گاز نسبت به تغییرات شعاع حباب های گازی به دست آمده است. نشان داده شد که معادلات برگرز، کا دی وی و کا دی وی- برگرز حالت های خاصی برای توصیف فشار امواج در این مورد می باشند. همچنین، یک روش بسط معرفی شد که به کمک آن می توان جواب های دقیق معادلات دیفرانسیل غیرخطی را بدون نیاز به شرایط اولیه و مرزی به دست آورد. در این روش، با انتخاب ثابت های خاص در جواب های به دست آمده، جواب های بیشتری از معادلات امواج در جریان های لزج قابل محاسبه می باشد. این ویژگی ها برتری روش معرفی شده را نسبت به سایر روش ها نشان می دهد. علاوه بر این، جواب های دقیق این معادلات که کاربردهای فراوانی در علوم و مهندسی دارند، به کمک روش بسط به دست آمده اند.
    کلیدواژگان: معادلات غیرخطی، انتقال حرارت، ویسکوزیته، روش بسط، حباب های گاز
  • امیرحمزه فرج الهی* صفحات 55-65
    اجسام تقارن محور، شبیه زیردریایی ها، در زوایای حمله بالا با جدایش سه بعدی لایه مرزی و ساختارهای جریان گردابه ای بزرگ در اطراف جسم مواجه می شوند که تاثیر بسزایی در نیروها و ممان های جسم دارد. این جریان گردابه ای روی نویز، پسا و مانورپذیری جسم اثرگذار است. یک روش مناسب برای کاهش اثرات جریان جداشده و گردابه ای استفاده از مولدهای گردابه است. مولدهای گردابه دارای چیدمان های مختلفی، از جمله چرخش هم راستا و چرخش غیرهم راستا، می باشند. در تحقیق حاضر، به کمک روش تجربی و با استفاده از پراب پنج حفره، میدان جریان در اطراف یک مدل زیردریایی استاندارد با استفاده از چیدمان های مختلف مولدهای گردابه در زوایای حمله °20°≤α≤0 بررسی شده است. استفاده از پراب پنج حفره در مطالعه حاضر به بررسی فیزیک اثر چیدمان های مولدهای گردابه روی ساختار گردابه های تشکیل شده در اطراف جسم تقارن محور کمک نمود. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد که استفاده از مولدهای گردابه با چیدمان چرخش     غیرهم راستا باعث کاهش قدرت گردابه، اندازه ابعاد گرادبه های عرضی و نیروی پسا می شود.
    کلیدواژگان: چیدمان مولد گردابه، چرخش هم راستا، چرخش غیرهم راستا، پراب پنج حفره
  • مهدی میانسری*، محیط بیگلریان، حمید حسن زاده صفحات 67-80
    در تحقیق حاضر، جریان آشفته در یک ورودی منطبق بر بدنه با استفاده از شبیه سازی عددی مورد ارزیابی قرار گرفت. در محاسبات انجام شده سه هندسه مختلف، از قبیل ورودی استاندارد ناکا و دو هندسه با ساختار پیشنهادی مورد مطالعه قرار گرفته و اثرات ضخامت لایه مرزی (31/0، 8/0 و 56/2) و (6/1>سرعت بی بعد > 2/0) بر عملکرد آن ها مورد ارزیابی قرار گرفت. برای شبیه سازی سه بعدی جریان تراکم‏ناپذیر و آشفته از مدل  استفاده شد. البته، در ابتدا، ورودی استاندارد ناکا با داده های تجربی اعتبارسنجی شد. نتایج نشان می‏دهد که افزایش ضخامت لایه مرزی اثر منفی در بازده فشاری رم در هندسه ها داشته، در حالی که افزایش سرعت در ابتدا موجب افزایش بازده و سپس موجب کاهش بازده می شود. همچنین، مقدار بازده هندسه های نوین به بازده ورودی استاندارد ناکا بسیار نزدیک می باشد. درحالی که هندسه های نوین در نسبت سرعت های بالا، نیروی پسای کمتری داشته (که عامل مهمی در مصرف سوخت است) و طرح مناسب تری از هندسه استاندارد ناکا می باشند.
    کلیدواژگان: ورودی‏ منطبق بر بدنه، جریان آشفته، بازیابی فشار رم، نیروی پسا
|
  • Abbas Ebrahimi *, Mostafa Nozari Pages 1-14
    In the present work, wind shear flow (atmospheric boundary layer) effects on aerodynamic performance of the NREL 5MW baseline wind turbine were investigated. In this regard, the steady three-dimensional actuator disk method, based on computational fluid dynamics with low computational cost, was developed, utilizing user-defined function (UDF) in a finite volume-based commercial software package. The rotor was not modeled directly, such that its momentum effect was added to the Navier-Stokes equations as a body force (source term). The developed solver was adopted to compare the flow field behavior around the rotor under uniform and wind shear inflow conditions. Different cases for the rotor azimuth angle were considered to evaluate the radial distribution of rotor power and thrust. Numerical results show that wind shear inflow leads to skew rotor wake, as well as asymmetrical pressure, vorticity, and velocity fields. Moreover, rotor experiences cyclical loading during each rotation. Note, for the selected wind shear profile of this work, the maximum difference in thrust on the rotor plane is about 125KN for each period of rotation.
    Keywords: Wind Turbine, Actuator Disk, Wind Shear Inflow, Atmospheric Boundary Layer
  • Hamid Kazemi, Roozbeh Shafaghat *, Ali Hajiabadi Pages 15-24
    In this study, the usual shape of a specific mono-hull changes into tunneled one keeping the geometrical parameters, including deadrise angle, keel line, beam width, and the hull length, constant.In this research, the specific shape of a speed monohull changed into a tunneled, keeping the geometric parameters, including the deadrise angle, keel line, hull width and length constant. The analysis carried out considering full load (10kg) and without load (3kg) conditions and optimization of the tunnel dimensions was performed in the maximum operational weight (10kg) and velocity (10m/s). Various geometrical parameters are effective on drag reduction of different sections of the tunnel, when designing and manufacturing the hull. In order to reduce drag, various geometrical parameters in different parts of the tunnel are effective in design and optimization. In this study, it has been attempted to investigate the effects of three parameters, namely: tunnel aperture, tunnel height, and blade simultaneously, in order to achieve an optimum shape of the tunnel. For this purpose, numerical simulation of the problem was carried out by means of finite volume method, considering moving mesh. For turbulence modeling, k-ε model and for simulating the free surface, volume of fluid (VOF) method were employed. The design of test and optimization were conducted, using Taguchi method. The results show that the tunnel aperture is the most effective parameter in increasing operational speed. Furthermore, one can reduce the drag by about twenty percent in the operational weight and speed through optimizing the tunnel.
    Keywords: Tunneled High Speed Hull, Dynamic Mesh, Drag, Volume of Fluid Model, Taguchi Method
  • Mohammad Hosein Taghizadeh Valdi, Mohammadreza Atrechian *, Ata Jafary Shalkoohy, Elham Chavoshi Pages 25-42
    In this paper, water entry problem of three-dimensional projectiles with various geometrical shapes and different drop heights and holes distribution was numerically simulated by coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) method and the effect of mentioned parameters on deepwater velocity and pinch-off time and depth was investigated by the commercial software Abaqus 6.14-2. The numerical results were verified by comparison and proper adaptation with available theoretical and experimental results, such as the movement trajectory of a spherical projectile in water depth, shape of formed air cavity, and pinch-off time and depth, which revealed the accuracy and capability of the numerical algorithm used. The results revealed that pinch-off depth is influenced by projectile geometrical shapes and significantly increases along with increased drop height from free water surface, while the pinch-off time is a very weak function of mentioned parameters. Also, the drag force of water has the highest and lowest effect on flat and pointy-nose projectiles, respectively. Hence, the cubical projectile with the highest velocity depreciation impact on the model bed with a velocity of 1.57m/sec and pinch-off depth occurs at a depth of 63cm, while the conical projectile with the lowest velocity depreciation has an impact velocity of 3.88m/sec and pinch-off depth occurs at a depth of 98cm.
    Keywords: Water Entry, Geometric Shape, Holes Distribution, Drop Height, Coupled Eulerian–Lagrangian Method
  • Nematollah Kadkhoda *, Hossein Jafari Pages 43-53
    The first purpose of this paper was to obtain non-linear equations for describing pressure waves in a liquid with gas bubbles. For this purpose, non-linear equations of fourth order and some of their special cases for describing pressure waves in a mixture of fluid and gas were considered. Then, considering the influence of heat transfer and viscosity in fluid, a differential relation between pressure and perturbation radius of gas bubbles is obtained. It is shown that the Burgers, the KdV and KdV- Burger’ equations are special cases for describing pressure waves. Also, we introduced a -expansion method, which can obtain exact solutions of non-linear differential equations without requiring the boundary and initial conditions. In this method, by choosing special constants in the obtained solutions, more solutions of these equations can be obtained. These features exhibit the superiority of the introduced approach. compared to the other methods. Furthermore, exact solutions of these equations are obtained using -expansion method, which has many applications in science and engineering.
    Keywords: Non-linear Equations, Heat Transfer, Viscosity, Expansion Method, Gas Bubbles
  • Amir Hamzeh Farajollahi * Pages 55-65
    Axisymmetric bodies, like submarines, at high angles of attack have been characterized by three-dimensional boundary layer separation and large vortical structures, which have an important effect on forces and moments. This vortical flow affects acoustics, drag, and maneuverability. A suitable way to reduce the effect     of this separated and vortical flow is to use vortex generators, which have different arrangements, such as     counter-rotating and co-rotating. The present study aimed to investigate flow field around a standard model employing vortex generators with different arrangements, using a five-hole probe at 0°≤ α ≤20°. Application of five hole probe method can help to precisely study the structure of vortical flow field. The results show that counter-rotating vortex generators do indeed significantly reduce the strength of vortex, size of cross-flow vortices, and drag force.
    Keywords: Arrangement of Vortex Generator, Co-Rotating, Counter-Rotating, Five-Hole Probe
  • Mehdi Miansari *, Mohit Biglarian, Hamid Hassanzadeh Afrouzi Pages 67-80
    In the present study, turbulent flow in submerged inlets was studied, using numerical simulation. In the calculations, three different geometries, namely NACA standard inlet and two geometries with proposed structures were studied and the effects of boundary layer thickness (0.31, 0.8 and 0.56) and 0.2< dimensionless velocity < 1.6 on their performance were investigated.  model was applied to simulate three-dimensional, incompressible, and turbulent flow. At first, NACA standard inlet was validated, using reliable experimental data. Results show that increasing boundary layer thickness has a negative effect on RAM pressure efficiency in all geometries, while velocity increase initially increases the efficiency and then decreases it. In addition, the efficiency of new geometries is close to one for NACA standard inlet. Moreover, the novel geometries are of lower drag force in high velocity ratios and are better NACA standard case.
    Keywords: Submerged Inlet, Turbulent Flow, Ram Pressure Retrieval, Drag Force