فهرست مطالب

مهندسی مکانیک ایران - سال بیست و یکم شماره 4 (پیاپی 57، زمستان 1398)

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و یکم شماره 4 (پیاپی 57، زمستان 1398)

  • تاریخ انتشار: 1398/12/01
  • تعداد عناوین: 10
|
  • جلیل شاعری، رزا وکیلی نژاد*، محمود یعقوبی، محمد علی آبادی صفحات 6-33
    یکی از عوامل مهم موثر در تعیین بار سرمایش و گرمایش ساختمان، ویژگی های حرارتی مصالح است. پایداری محیطی ساختمان ها نیز متاثر از مصرف انرژی و انتشارات مضر زیست محیطی مصالح می باشد. لذا در انتخاب مصالح علاوه بر ویژگی های حرارتی، چرخه حیات مصالح، انرژی و کربن نهفته نیز باید مدنظر قرار گیرد. هدف از پژوهش حاضر بررسی تاثیر مصالح مختلف بر عملکرد حرارتی و کارایی انرژی در ساختمان های اداری است. بدین منظور برای یک ساختمان نمونه، مصالح با ویژگی های حرارتی مختلف در 18 حالت برای سقف، کف، دیوارهای بیرونی و داخلی ساختمان درنظر گرفته شده و شبیه سازی حرارتی در سه شهر بوشهر، شیراز و تبریز برای یک سال نمونه با استفاده از نرم افزار دیزاین بیلدر انجام شده است. براساس نتایج بهترین و بدترین ترکیب های مصالح از منظر میزان انرژی مصرفی و کربن تولیدی، بدون وابستگی به اقلیم در هر سه شهر یکسان بوده اما با حالات عدم آسایش متناظر نیست. این مساله به دلیل تفاوت بار سرمایش و گرمایش در اقلیم های مختلف است. تفاوت بهترین و بدترین حالت ها در مصرف انرژی 24 تا 46 درصد، درکربن تولیدی 25 تا 43 درصد و در ساعات عدم آسایش، بسته به نوع اقلیم 6 تا 134 درصد است.
    کلیدواژگان: مصالح، مصرف انرژی، کربن تولیدی، ساعات عدم آسایش، ساختمان اداری
  • حمید محمدیون*، محمد محمدیون، محمدحسین دیبایی بناب، محسن دارابی، سید رضا حجازی صفحات 34-58

    در تحقیق حاضر، دمای بی بعد، انتقال حرارت جابجایی و تولید آنتروپی در جریان سکون شعاعی نانو سیال بر روی استوانه نامحدود، در حالت پایا بررسی شده است. جریان آزاد نیز پایا بوده و قدرت اولیه جریان  می باشد. حل تشابهی معادلات ناویر استوکس و معادله انرژی ارایه شده است. این معادلات، با استفاده از تبدیلات مناسبی که در این تحقیق معرفی شده است ساده سازی شده اند. معادلات در شرایطی حل شده اند که  دمای دیواره استوانه ثابت است. کلیه حل های فوق برای اعداد رینولدز  بین0.1 تا 1000 و مقادیرمعینی ازکسر حجمی نانو ذرات ارایه شده است که در آنها a شعاع استوانه و uf لزجت سینماتیکی سیال پایه است. نتایج نشان می دهند برای همه اعداد رینولدز، با افزایش کسر حجمی نانو ذرات، مو لفه های شعاعی و محوری میدان سرعت و تنش برشی کاهش می یابد درحالی که ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت افزایش می یابد همچنین بیشترین مقدار آنتروپی تولیدشده محاسبه است

    کلیدواژگان: نانوسیال، جریان سکون، حل تشابهی، کسر حجمی، تولید آنتروپی
  • پریسا مجاور، شهرام خلیل آریا، عطا چیت ساز* صفحات 59-82
    در تحقیق حاضر، یک سیستم تولید همزمان توان و حرارت متشکل از پیل سوختی اکسید جامد و گازساز زیست توده معرفی شده است. در این سیستم از لوله های حرارتی برای انتقال حرارت از محفظه پس سوز به بستر گازساز استفاده شد. نتایج حاکی از آن است که زمانی که دمای پیل سوختی افزایش یابد، بازده سیستم افزایش و بازگشت ناپذیری ها کاهش می یابد. در چگالی جریان A/m2 4000  و دمای خروجی پیل سوختی °C850، بازده های گاز سرد گازسازی زیست توده و اگزرژی به ترتیب 74/91% و 79/45 % بدست می آید. همچنین هیدروژن 35% از ترکیب گاز سنتز خروجی از گازساز را به خود اختصاص می دهد
    کلیدواژگان: گازسازی زیست توده، آنالیز اگزرژی، تحلیل زیست محیطی، تولید همزمان، پیل سوختی
  • کورش گودرزی*، امین موسایی، مریم بهرامی صفحات 83-106

    یکی از عوامل موثر در کاهش راندمان دیگ های بخار در طول دوره کارکرد رسوب است. رسوب به صورت یک لایه بر روی سطوح انتقال حرارت دیگ بخار می نشیند و در اثر مقاومت حرارتی که ایجاد می کند راندمان حرارتی  دیگ بخار را کاهش می دهد. به همین دلیل تشخیص میزان رسوب و اندازه گیری دقیق آن در لوله های دیگ بخار از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است ، با اندازه گیری دقیق رسوب می توان زمان عملیات رسوب زدایی راتعیین کرد. در این مقاله فرض براین است که هیچ اطلاعی در رابطه با نحوه توزیع رسوب در لوله های دیگ بخار موجود نیست، لذا پروفیل رسوب با استفاده از شبیه سازی دما در دیواره داخلی لوله های دیگ بخار و همچنین استفاده از روش گرادیان مزدوج تخمین زده شده است. در این روش میزان خطای حاصل از تخمین تابع پروفیل رسوب چند ضابطه ای   محاسبه شد، این بیانگر دقت بالای روش گرادیان مزدوج در تخمین رسوب می باشد. بنابراین می توان از این روش به عنوان یک سیستم هشداری دهنده برای تمیزکاری لوله های دیگ بخار زمانی که میزان رسوب از یک مقدار تعیین شده بیشتر شده باشد، استفاده کرد

    کلیدواژگان: دیگ‌بخار، رسوب، روش انتقال حرارت معکوس، گرادیان مزدوج، جریان آرام
  • ایرج میرزایی*، امیرشایان آزاده، نادر پورمحمود صفحات 107-129
    هدف از این تحقیق شبیه سازی جریان یک مرحله از ناسا روتور 37 و سپس بهبود هندسه روتور مذکور براساس تنظیم لقی بین نوک پره و پوسته و جابجایی محوری پره است. ابتدا بهترین مدل توربولانسی برای شبیه سازی انتخاب شد. سپس با توجه به دو پارامتر تغییر جابجایی محوری و فاصله لقی نوک پره با پوسته، بهینه سازی عملکرد روتور 37 مورد بررسی قرار گرفت. شبیه سازی ها براساس تغییر جابجایی محوری برای پنج حالت بررسی شد. در ادامه چهار اندازه لقی برای پره شماره 2 (بهترین راندمان برای جابجایی محوری) در نظر گرفته شد که برای میزان لقی حالت طراحی بیشترین راندمان حاصل شد.
    کلیدواژگان: کمپرسور محوری، بهینه‌سازی، فاصله لقی نوک پره، جابجایی محوری پره
  • ابوالفضل پوررجبیان*، مرتضی رحمانپور صفحات 130-148
    در این پژوهش به محاسبه زمان راه‌اندازی یک میکرو توربین بادی پرداخته می‌شود. به این منظور از نظریه‌ی اندازه حرکت المان پره استفاده شده و پس از صحت سنجی کد تهیه شده، پارامتر زمان راه‌اندازی محاسبه می‌شود. سپس با توجه به محدودیت کاری رینولدز، چهار ایرفویل NACA4412، SD7062، SG6040 و SG6043 انتخاب و اثر بهره‌گیری از آن‌ها بررسی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد استفاده از ایرفویل SG6043 نه تنها توان بیشتری را به همراه داشته بلکه زمان راه‌اندازی کمتری نیز دارد. نسبت بالای برآ به پسآی ایرفویل SG6043 به همراه کم بودن مساحت سطح از عوامل اصلی برتری این ایرفویل می‌باشد.
    کلیدواژگان: میکرو توربین بادی، زمان راه‌اندازی، پره، ایرفویل، ضریب توان
  • محسن مزیدی*، سید امیرعباس علومی، سید علی آقا میرجلیلی صفحات 149-173

    در تحقیق حاضر انتقال حرارت جابجایی ترکیبی نانوسیال نیوتنی و غیر نیوتنی در یک محفظه در حال تهویه با حضور مانع داخلی به صورت دوفازی مورد برسی قرارگرفته است و نانو سیالات آب- اکسید آلومنیوم و آب- اکسید مس به عنوان سیال عامل در نظر گرفته شده است. معادلات حاکم با استفاده از روش عددی حجم محدود گسسته سازی و با استفاده از روش دوفازی اویلری- اویلری حل شده اند. در این پژوهش چشمه حرارتی دارای شارحرارتی ثابت وتمام دیواره های محفظه از نظر حرارتی نیز عایق می باشند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهند که در رینولدز 100 و گراشف 105، ناسلت متوسط با حضور نانو ذره اکسید مس ،61/24 درصد نسبت به آب خالص افزایش و همچنین با افزایش کسرحجمی نانوذرات از02/0به 05/0 ناسلت متوسط 11/2 درصد افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: مدل دوفازی، عدد گراشف، چشمه حرارتی داخلی، نانوسیالات نیوتنی و غیرنیوتنی
  • اسماعیل قائدی، طاهر ارمغانی*، رضا سپاهی سامیان صفحات 174-196
    در این مقاله تحلیل عددی انتقال حرارت همرفت طبیعی آرام نانوسیال در یک جریان با موانع مربعی و دایره‌ای شکل بررسی شده است. تمامی مقایسه‌ها برای حالت‌های مختلف، با عدد رایلی اصلاح شده Ram صورت گرفته است. با توجه به نتایج به دست آمده مشاهده گردید که اگر دوهندسه دارای ضریب تخلخل مشابه باشند آن‌گاه مقدار ضریب نفوذ پذیری معادل Keq برای موانع دایره‌ای بزرگ‌تراز موانع مربعی است، ولی مقادیر عدد ناسلت متوسط برای موانع دایره‌ای کمتر ازموانع مربعی خواهد بود.همچنین زمانی که تعداد موانع کم است نحوه توزیع دما وخطوط جریان وابسته به شکل موانع میباشد. نتایج نشان دادند که برای محفظه دارای المان حرارتی با آرایش مربعی انتقال حرارت هدایت غالب است و برای آرایش افقی المان‌ها انتقال حرارت جابه‌جایی غالب است. با افزایش عدد رایلی و در نتیجه زیاد شدن جریان چرخشی در برخی نواحی محفظه، نرخ انتقال حرارت جابه‌جایی در مقایسه با هدایت افزایش پیدا می‌کند. نتایج حل عددی در تحقیق حاضر یک افزایش در عدد ناسلت میانگین و همچنین ضریب انتقال حرارت را، برای هنگامی‌که غلظت حجمی نانوسیال رقیق افزایش یابد، نشان می‌دهد.
    کلیدواژگان: انتقال حرارت همرفت، نانوسیال، موانع مربعی و دایره‌ای، محیط متخلخل
  • زینب آقازیارتی، ابوالفضل حاجی زاده اقدم* صفحات 197-219
    در این مقاله یک سیستم تولید همزمان توان، گرمایش و سرمایش جهت تامین نیازهای یک بیمارستان 100 تخت خوابه مورد تحلیل اگزرژی اقتصادی قرار گرفته است. برق مورد نیاز بیمارستان توسط یک نیروگاه رانکین آلی تولید می‌گردد. با استفاده از مبدل حرارتی در سیکل، بار گرمایشی بیمارستان تامین شده است. همچنین از حرارت بخار خروجی از توربین برای راه‌اندازی سیکل تبرید آبشاری و تامین بار سرمایشی بیمارستان استفاده شده است. ترکیب سیکل‌های تبرید جذبی و تراکمی امکان نگه‌داری برخی از اقلام دارویی که باید در دماهای بسیار پایین نگه‌داری شوند را فراهم آورده است. جهت تامین حرارت در بویلر نیروگاه از سه نوع کلکتور حرارتی خورشیدی سهموی خطی (PTC)، خطی فرنل (LFR) و بشقابی (Dish) استفاده شد. عملکرد سیستم در 9 استان مختلف کشور با مقادیر شدت تابش متفاوت بررسی گردید. نتایج نشان داد استان‌های بوشهر و گلستان به ترتیب بیشترین و کمترین پتانسیل را برای احداث سیستم دارند. همچنین تاثیر شدت تابش و سیال عامل بر سیستم بررسی گردید.
    کلیدواژگان: تولید همزمان، اگزرژی اقتصادی، کلکتور خورشیدی، شدت تابش
  • محمود چهارطاقی*، مهدی هدایت پور صفحات 220-238
    مطالعه تجربی عملکرد پمپ جابجایی مثبت خورشیدی متصل به آبیاری قطره‌‌ای کوپل مستقیم،  انجام گردید. مدل ریاضی برای پیش‌بینی عملکرد ارایه شد. تابش خورشید، دبی آب، فشار قطره چکان، دمای پنل، دمای محیط، جریان و ولتاژ خروجی از پنل خورشیدی به صورت بلادرنگ تعیین شد. دبی پمپ در یک روز، سه رفتار متفاوت نشان می‌دهد. دبی خروجی از پمپ پس از یک تابش آستانه در میانه روز، تقریبا ثابت است. مقدار دبی و فشار در صبح و عصر که شرایط تابش خورشید کم بوده، به ترتیب صعودی و نزولی می‌باشد. حداکثر مقدار دمای سطح پنل، برابر 60.7 درجه سلسیوس می‌باشد.
    کلیدواژگان: پمپ فتوولتاییک خورشیدی، آبیاری قطره‌ای، کوپل مستقیم، ضریب راس، دمای سطح پنل
|
  • Jalil Shaeri, Roza Vakilinazhad *, Mahmood Yaghoubi, Mohammad Aliabadi Pages 6-33
    Thermal properties of materials are one of the important factors determining cooling and heating load of the building. Buildings environmental sustainability is affected by energy consumption and harmful emissions of materials. Therefore, in addition to thermal properties, material life cycle and embodied energy and carbon should also be considered. The purpose of this study is to investigate the effect of different materials on thermal performance and energy efficiency in office buildings. For this purpose, materials with different thermal properties in 18 states are considered in a typical building for ceilings, floors, exterior and interior walls. Thermal simulations have been done using Designbuilder Software for Bushehr, Shiraz and Tabriz for a typical year. Based on the results, the best and worst modes in terms of energy consumption and produced carbon are the same in three cities but not similar to discomfort hours. This is due to the difference in amount of cooling and heating loads in various climates. The difference between the best and worst modes is 24 to 46 percent in energy consumption, 25 to 43 percent in carbon dioxide and depending on the climate 6 to 134 percent in discomfort hours.
    Keywords: material, energy consumption, Production carbon, Discomfort hours, Office building
  • Mohammad Mohammadiun, MohammadHosein Dibaiee Bonab, Mohsen Darabi, Seyed Reza Hejazi Pages 34-58

    In this research dimensionless temperature, convection heat transfer and entropy generation for the steady state flow in the stagnation point of nanofluid impinging on an infinite cylinder have been investigated. The impinging free stream is steady with a constant strain rate . Similarity solution of the Navier-Stokes and energy equations is derived in this problem. A reduction of these equations is obtained by use of appropriate transformations introduced in this research. The general self similar solution is obtained when the wall temperature is constant. All the solutions above are presented for Reynolds numbers  ranging from 0.1 to 1000 and selected values of particle fractions where a is radius of the cylinder and is kinematic viscosity of the base fluid. Results show that for all Reynolds numbers, as the particle fraction increases, the depth of diffusion of the fluid velocity field in radial and axial directions and shear-stresses decreases whereas convective heat transfer coefficient and Nusselt number increases also maximum value of entropy generation has been calculated.

    Keywords: nanofluid, Stagnation point flow, Similarity solution, Particle fraction, Entropy generation
  • Parisa Mojaver, Shahram Khalilarya, Ata Chitsaz * Pages 59-82
    In the present study, a power and heat cogeneration system consisting of solid oxide fuel cell and biomass gas is introduced. In this system, heat pipes were used to transfer heat from the after burner to the gasifier. The results show that as the fuel cell temperature increases, the efficiency of the system increases and the irreversibility decreases. Cold gas efficiency of biomass gasification and exergy efficiency are achieved 91.74% and 45.79%, respectively, at the current density of 4000 A/m2 and outlet solid oxide fuel cell temperature of 850 °C.  Hydrogen percent is 35% in the gas composition of the gas outlet.
    Keywords: Biomass Gasification, Exergy, Exergo-Environmental Analysis, Co-generation, Fuel cell
  • Koorosh Goudarzi *, Amin Moosaei, Maryam Bahrami Pages 83-106

    One of the effective factors in decreasing the efficiency of boilers during the operation period is sediment. The sediment sits as a layer on the boiler's heat transfer surfaces and reduces the boiler's thermal efficiency due to the thermal resistance it creates. For this reason, it is very important to determine the amount of sediment and to accurately measure it in boiler pipes.In this paper, it is assumed that no information is available on the distribution of sediment in boiler pipes, so the sediment profile is estimated using temperature simulation on the inner wall of boiler pipes as well as conjugate gradient method. In this method, the error rate was calculated by estimating the function of multi-criteria sediment profile  , which indicates the high accuracy of the conjugate gradient method in sediment estimation. The amount of sediment exceeded a specified value.

  • Iraj Mirzaee *, Amir Shayan Azadeh, Nader Pormahmod Pages 107-129
    Improving the performance of gas turbines in today's world is an important and key issue, of course, in optimizing the performance of its core components. As an important part of the gas turbine, the compressor has always attracted particular attention. Many studies and experiments have been done to increase its efficiency. On the other hand, numerical analyzes and modeling are rapidly expanding due to the high cost of experimental tests and the rigidity of test conditions. The study of numerical methods and turbulence models continues to provide a more complete and better simulation of all aspects of fluid problems, and new aspects of this field are unveiled every day. The purpose of this study is to simulate the flow of a single stage of the NASA rotor 37, and then improve the geometry of the rotor based on the adjustment of the tip clearance and the axial displacement of the blade. First, the best turbulence model (k-ε RNG) was selected for simulation. Then, with regard to the two parameters of axial displacement and tip clearance, optimization of the rotor function was investigated. At first simulations were examined based on axial displacement for five states. In the following, four sizes for Blade No. 2 (best efficiency for axial displacement) were considered, which achieved the highest efficiency for the design level tip clearance (0.365 mm).
    Keywords: Axial compressor, Optimization, tip clearance, sweep
  • Abolfazl Pourrajabian *, Morteza Rahmanpour Pages 130-148
    The study investigates the effect of airfoil used in a horizontal axis wind turbine blade on its power coefficient and also the starting time. Although the effect of airfoil type used in wind turbine blades is known from the aerodynamics viewpoint and researchers have tried to use airfoils with high aerodynamic efficiency, the appropriate choose of an airfoil requires more investigation from the standpoint of starting. In this study, the output power and the starting time of a small horizontal axis wind turbine are calculated via blade element momentum theory. For that purpose, a numerical scheme is developed and validated by the experimental data. Thereafter, the four airfoils namely NACA4412, SD7062, SG6040 and SG6043 are selected and the effect of employing these profiles on the turbine performance is examined. The results reveal that the use of SG6043 airfoil not only leads to more output power but it also results in shorter starting time. The superiority of SG6043 over other airfoils are due to its higher lift to drag ratio and also its lower surface area.
    Keywords: Micro wind turbine, starting time, blade, Airfoil, power coefficient
  • Mohsen Mazidi *, Seid AmirAbbas Oloomi, Seyed AliAgha Mirjalily Pages 149-173

    In the present study, mixed convection heat transfer of two-phase Newtonian and non-Newtonian nanofluids was examined in a ventilated cavity with internal barrier. Water - Aluminum oxide and water - copper oxide nanofluids are considered as working fluid, and the governing equations are discrete using a finite volume numerical method and solved by the Eulerian-Eulerian two-phase method. In this research, heat source has a constant thermal flux and all cavity walls are also thermally insulated; Finally, the effect of parameters such as Grashof number, volumetric fraction of nanoparticles, Reynolds number, type of nanofluid and different locations of the heat source were considered and Aluminum oxide nanoparticle with an ethylene glycol based fluid, which is converted to Bingham-type non-Newtonian fluid, has also been investigated. The results of this study show that with a Reynolds No. of 100 and Grashof No. of 105, the average Nusselt was 24.61% higher than that of pure water at the presence of copper oxide nanoparticles, and also by increasing the volume fraction of nanoparticles from 0.02 to 0.05, average Nusselt increase by 2.11 percent, indicating that water-copper oxide nanofluid has a better heat transfer than pure water.

    Keywords: Nanofluids Newtonian & non Newtonian, Grashof Number, inner heat source, two-phase model
  • Esmael Ghaedi, Taher Armaghani *, Reza Sepahi Samian Pages 174-196
    In this paper natural convection heat transfer of nanofluid simulated in a box with square and circular blocks. Governing equations is solved using finite volume method by Fluent software and Nusselt number near the hot wall at different Darcy numbers, is obtained for box with square or circular blocks. Results show that when there is a few blocks, temperature contour and streamlines depend on blocks geometry while increasing the number of blocks decrease this dependency. For box containing heater element in square arrangement, conduction heat transfer is dominant while in horizontal arrangement convection is dominant. By growth of Rayleigh number and consequently increasing of rotational flow convection portion in heat transfer increases. Although most portion of heat transfer is by conduction and convection has little effect. In the next part of research effect of nanoparticle concentration in heat transfer is studied. Results show an increase in average Nusselt number and heat transfer coefficient for higher volumetric concentrations of nanoparticles. Time taken to reach steady state for water based nanofluid is less than time for water/ Copper oxide, ethylene glycol, and water/ Copper oxide, propylene glycol. Variation of heat transfer coefficient in term of Nusselt number for Copper oxide, ethylene glycol, and Copper oxide, propylene glycol nanofluids with increase of nanoparticle concentration is independent of Rayligh number
    Keywords: nanofluid, Nusselt number, block arrangement, porous media approach
  • Zeinab Aghaziarati, Abolfazl Hajizadeh Aghdam * Pages 197-219
    In this paper, an exergoeconomic analysis of a cogeneration system of heating, cooling and power has been done for the needs of a 100-bed hospital. The electricity required for the hospital is produced by an organic Rankine cycle. Using the heat exchanger in the cycle, the heating load of the hospital is provided. The steam output of the turbine has also been used to launch a cascade refrigeration cycle and to provide a cooling load for the hospital. The combination of absorption and compression refrigeration cycles provides for the preservation of some of the drug items that should be stored at very low temperatures. To supply heat in the boiler of this plant, three types of collectors including linear parabolic, Fresnel Linear Collector and Dish Collector have been used and compared. The results showed that collectors are more critical than the other parts of the economy due to the high initial investment cost. Also, the LFR collector from the economic point of view showed better system performance than others. The system was tested for performance in 9 different provinces of Iran with different radiation intensity levels. The results showed that Bushehr and Golestan provinces had the highest and lowest potential, respectively. Also, the effect of radiation intensity and operating fluid on the system was investigated.
    Keywords: Cogeneration, Exergoeconomic, Solar Collector, Irradiation
  • Mahmood Chahartaghi *, Mehdi Hedayatpour Pages 220-238
    In this paper, experimental performance of a solar photovoltaic positive displacement pump connected to drip irrigation system has been studied in direct coupling condition. Also, a mathematical model has been presented to predict the main parameters of the system. The values ​​of solar radiation, water discharge, emitter line pressure, panel surface temperature, ambient temperature, current and output voltage of solar panel have been measured in actual operation time. The results illustrate that the positive displacement pump discharge shows three different behaviors in a day. The output flow of the pump tends to be constant after a mid-day threshold radiation. The amount of discharge and line pressure in the morning and evening, when the sun radiation is in a low level, are ascending and descending, respectively. One of the important factors in the performance of the panel is the surface temperature of the panel, with the maximum observed temperature being 60.7 degrees Celsius.
    Keywords: Solar photovoltaic pump, Drip Irrigation, Direct coupling, Ross coefficient, Panel surface temperature