فهرست مطالب

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک - سال سی و یکم شماره 1 (پاییز و زمستان 1398)

نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک
سال سی و یکم شماره 1 (پاییز و زمستان 1398)

  • تاریخ انتشار: 1399/05/25
  • تعداد عناوین: 12
|
  • محسن رضایی، شهرام هادیان جزی*، مهرداد پورسینا، فرهاد حاجی ابوطالبی صفحات 1-12

    سیستم های چرخ دنده ای مارپیچ نسبت به چرخ دنده های ساده از دقت، عمر و کاربرد بیشتر و لرزش، سروصدا و خطای انتقال کمتری بهره می برند. یکی از مواردی که می تواند در کارکرد این سیستم ها خلل ایجاد کند، وجود ترک در ریشه دندانه چرخ دنده است. به همین دلیل شناسایی ترک ریشه دندانه در مراحل اولیه پیدایش و رشد آن، بسیار حایز اهمیت است. یکی از روش های متداول برای استخراج اثر ترک ها از سیگنال ارتعاشی، استفاده از روش سیگنال باقیمانده است. ازآنجاکه محاسبه سیگنال باقیمانده مستلزم دانستن سیگنال ارتعاشی حالت سالم و یا پارامترهای اولیه و شرایط کاری سیستم مورد بررسی است، ارایه راه کاری جهت برجسته نمودن اثر ترک روی سیگنال ارتعاشی بدون نیاز به اطلاعات دیگر می تواند بسیار مفید واقع شود. در این پژوهش، ابتدا روش محاسبه سفتی درگیری چرخ دنده های مارپیچ و اثر ترک دندانه روی آن بررسی شده و سپس یک سیستم کامل چرخ دنده ای مارپیچ تک مرحله ای شامل موتور و بار، مدل سازی و به صورت عددی حل شده تا سیگنال ارتعاشی سیستم حاصل گردد. سپس تاثیر این روش بر سیگنال ارتعاشی به دست آمده از شبیه سازی دینامیکی یک سیستم با یک ترک کوچک ارایه می گردد. نهایتا روش پیشنهادشده روی سیگنال ارتعاشی سیستم ارایه شده در یکی از تحقیقات پیشین، اعمال شده و کارایی آن نشان داده می شود.

    کلیدواژگان: چرخدنده مارپیچ، ردیابی ترک، خطای انتقال، پردازش سیگنال
  • امین رسام*، زینب پورانصاری، محمدرضا زنگنه صفحات 13-22

    در این تحقیق، شبیه سازی عددی گردابه های بزرگ جریان آشفته با استفاده از مدل زیرشبکه اسماگورینسکی دینامیکی (DS) در یک مجرای مربعی در عدد رینولدز اصطکاکی 180=  انجام و نتایج حاصل از آن مورد بررسی قرار می گیرد. برای مشخص شدن دقت شبیه سازی با مدل DS، نتایج با داده های مرجع حاصل از شبیه سازی عددی به روش مستقیم مقایسه شده اند. همچنین، برای بررسی تاثیر مدل DS، یک شبیه سازی عددی بدون مدل زیرشبکه نیز انجام شده و نتایج آن با مدل DS مقایسه شده است. شبیه سازی های عددی با استفاده از روش حجم محدود و با دقت مرتبه دوم، برای گسسته سازی معادلات ناویر-استوکس، انجام شده اند. شبیه سازی ها نشان می دهند که نتایج مدل زیرشبکه DS، در شبکه مورد استفاده، مطابقت خوبی با داده های شبیه سازی مستقیم، برای کمیت های سرعت متوسط و تنش های رینولدز، داشته و بهبود قابل ملاحظه ای در نتایج شبیه سازی با مدل زیرشبکه DS نسبت به شبیه سازی بدون مدل زیرشبکه مشاهده می گردد.

    کلیدواژگان: شبیه سازی گرادبه های بزرگ، مدل اسماگورینسکی دینامیکی، جریان آشفته، مجرای مربعی
  • عماد تندیس*، علی اشرفی زاده صفحات 23-38

    حل عددی مسایل اندرکنش حرارتی سیال-جامد (CHT) که شامل چندین ناحیه محاسباتی هستند به لحاظ هزینه های محاسباتی و پایداری حل، ازجمله موضوعات چالش برانگیز به شمار می آید. علت عمده این چالش ها را می توان به همبستگی بین معادلات در نواحی مختلف و همچنین همبستگی بین معادلات حاکم درون ناحیه سیال مرتبط دانست. این مقاله به بررسی مقایسه ای دو دیدگاه جهت اعمال همبستگی معادله انرژی در مرز مشترک بین نواحی می پردازد: دیدگاه مجزا و دیدگاه هم زمان. در دیدگاه اول، اعمال دقیق همبستگی به کمک استفاده از روش های تکراری امکان پذیر است، حال آنکه دیدگاه دوم، بر مبنای حل هم زمان معادلات انرژی در تمام نواحی است. به عبارت دقیق تر، هدف اصلی در پژوهش حاضر توسعه سه حلگر CHT بر مبنای روش حجم محدود و مقایسه هزینه های محاسباتی آنها جهت شبیه سازی اندرکنش حرارتی سیال-جامد با درجات مختلف همبستگی است. هر سه حلگر مورد نظر، در شیوه اعمال همبستگی بین فشار و سرعت در سیال، مشترک می باشند و تفاوت آنها در شیوه اعمال همبستگی بین معادلات انرژی در نواحی مختلف و همچنین بین انرژی و ممنتوم در سیال است. همچنین OpenFOAM به عنوان یک نرم افزار منبع باز جهت توسعه الگوریتم های پیشنهادی مورد استفاده قرار می گیرد. سپس، دقت و هزینه محاسباتی حلگرهای مذکور، به کمک شبیه سازی مسئله اندرکنش بین جابجایی آزاد در سیال و رسانش در دیواره عمودی مجاور در حالت های مختلفی از همبستگی مورد ارزیابی قرار می گیرد. نتایج حاصل از حل حالت های مختلف مسئله مورد نظر نشان می دهد که برخلاف آنچه درحلگرهای OpenFOAM اعمال شده، به کارگیری حلقه مجزا جهت تضمین همبستگی انرژی- انرژی برای هر تکرار، هزینه های محاسباتی را بخصوص برای مسایل با همبستگی قوی تا حد زیادی کاهش می دهد.

    کلیدواژگان: اندرکنش حرارتی سیال جامد، دیدگاه همزمان، دیدگاه مجزا، همبستگی، حجم محدود، سرعت همگرایی، OpenFOAM
  • پیوندزنی سطح یک نوع الیاف نایلونی با استفاده از مخلوط دو مونومر اکریلیک و بهینه سازی پارامترهای مربوطه توسط یک نرم افزار متداول طراحی آزمایش
    محمد خسروی، سعید استاد موحد* صفحات 39-52

    زیست رسوب گذاری دریایی به تجمعی از انواع ارگانیسم ها برسازه های فرورفته در آب دریا گفته می شود. این پدیده اثرات مخربی بر سازه های شناور در آب مانند کشتی ها، قفس های پرورش ماهی و غیره دارد. به منظور کاهش رسوب گذاری زیستی بر روی الیاف یک نوع نایلون، مخلوط دو مونومر اکریلیک، 2 - هیدروکسی اتیل متاکریلات و متیل آکریلات به روش پیش تابش و در شرایط مختلف بر روی الیاف فوق پیوند زده شد. سپس پارامترهای درصد پیوندزنی و درصد هومو-کو پلیمر با تغییر متغیرهای عملیاتی مانند دمای واکنش (°C90-60)، زمان واکنش h) 4-1)، زمان پیش تابش min) 40-10) و غلظت آغازگر (9-3%)  اندازه گیری شده و با مقادیر محاسبه شده توسط  یک نرم افزار متداول طراحی آزمایش (®Design-expert) مقایسه گردیده و نتایج مورد بحث قرار گرفتند. جهت بهینه سازی نتایج توسط نرم افزار و بررسی اثر متقابل متغیرهای فوق جهت پیش بینی پارامترهای مذکور، از روش پاسخ سطح و طراحی نقاط مرکزی با استفاده از 4 متغیر و 2 سطح پاسخ استفاده شد. افزایش زمان تابش و غلظت آغازگر باعث افزایش درصد پیوندزنی به دلیل افزایش مراکز فعال بر سطح الیاف شدند. به کمک تحلیل جدول آنالیز واریانس و مقدار متغیر p-valuee با بازه اطمینان 05/0، پارامترهای مهم در مدل به ترتیب اهمیت، دمای واکنش، زمان واکنش، زمان پیش تابش و غلظت آغازگر تشخیص داده شدند. همچنین صحت آماری نتایج به دست آمده به کمک مقادیر متغیرهای آماری مانند ضریب مشخصه سازی (96٪)، ضریب مشخص سازی تنظیم شده (93٪) و تناسب دقت (302/30) مورد تایید قرار گرفتند. در شرایط بهینه معرفی شده توسط نرم افزار، مقادیر پیش بینی شده توسط مدل پیشنهادی نرم افزار عبارت بودند از درصد پیوندزنی، 59/38 و هومووکوپلیمر 42/43 در صد که با مقادیر تجربی به ترتیب 89/37 و 98/42 درصد تطابق مناسبی داشتند. همچنین دو معادله جهت پیش بینی مقادیر پارامترها با تغییر متغیرهای مورد مطالعه توسط نرم افزار ارایه گردیدند.

    کلیدواژگان: الیاف نایلون، 2- هیدروکسی اتیل متاکریلات، متیل آکریلات، درصد پیوندزنی، طراحی آزمایش
  • سید مجتبی واردی کولایی، مهدی بامداد*، برزو فتحی صفحات 53-68

    برای ایجاد حرکت نسبی بین عضوهای متصل به هم در یک مکانیزم، وجود لقی در مفاصل امری اجتناب ناپذیر است. علاوه بر ایجاد خطا در دقت موقعیت یابی، وجود لقی یکی از مهم ترین عوامل ایجاد ضربه، شوک و در نتیجه تولید ارتعاشات و صدا در هنگام کارکرد مکانیزم است. تلورانس ها و خطاهای ناشی از فرایند طراحی و ساخت، ساییدگی و خوردگی مفاصل بعد از یک دوره معین کاری و اثرات حرارتی به عنوان مهم ترین عوامل ایجاد و افزایش لقی شناخته شده اند. بدیهی است که در صورت وجود لقی در مفاصل لولایی، یک یا دو درجه آزادی غیرقابل کنترل به مکانیزم افزوده می شود که می تواند منبع ایجاد خطا باشد. در این مقاله، اثرات لقی مفاصل لولایی بر رفتار سینماتیکی ربات موازی صفحه ای 3RPR مورد بررسی قرار می گیرد. ربات موازی در نرم افزار تحلیل دینامیکی آدامز مدل سازی شده و نتایج شبیه سازی برای دو حالت ایده آل (بدون لقی) و حالت واقعی (با لقی) با هم مقایسه می شوند. همچنین اثرات اندازه لقی مفاصل و تاثیر آن بر رفتار ربات نیز مورد ارزیابی قرار می گیرد. نتایج عددی نشان می دهند که با افزایش اندازه لقی، مقادیر سرعت و شتاب افزایش چشم گیری می یابند.

    کلیدواژگان: لقی مفصل، سینماتیک، تحلیلی دینامیکی، نرم افزار آدامز، ربات موازی صفحه ای 3RPR
  • رضا جهانگیری*، اکبر الله وردی زاده، بهنام داداش زاده، حمید عظیم زاده صفحات 69-86

    در این پژوهش، اثر پارامترهای مختلف سیستم روی پاسخ غیرخطی نوسانات جانبی میکرولوله تیرمانند حاوی سیال با شرایط مرزی دو سر ساده نامتحرک تحت شرایط تشدید پارامتریک مغناطیسی محوری بررسی می شود. از تیوری تغییر شکل های برشی مرتبه اول ردی و تیوری الاستیسیته غیرمحلی ارینگن برای استخراج معادلات غیرخطی حاکم بر حرکات جانبی میکرولوله با لحاظ کردن جملات غیرخطی هندسی ون‐کارمن استفاده می شود. در سرعت های جریان بالاتر از سرعت بحرانی آستانه فلاتر (متناظر با کوپلینگ مو دهای اول و دوم)، رفتار سیستم غیرخطی دو درجه آزادی تحت شرایط تشدید پارامتریک مغناطیسی تحلیل می شود. با استخراج منحنی های پاسخ غیرخطی، اثرات پارامتر های دامنه تحریک مغناطیسی، پارامتر فرکانس تحریک و پارامتر غیرمحلی تنش روی دامنه تشدید سیستم بررسی و مورد بحث قرار می گیرد.

    کلیدواژگان: ارتعاشات غیرخطی، میکرو لوله حاوی سیال، تشدید پارامتریک مغناطیسی، تئوری الاستیسیته غیرمحلی
  • علی اسدی، مجید ملک جعفریان*، علیرضا تیمورتاش صفحات 87-104

    یکی از پدیده های مورد مطالعه دانشمندان در سال های اخیر، پدیده پرش هیدرولیکی چندضلعی است. حدود دو دهه از مشاهده این پدیده می گذرد، اما هنوز علت ایجاد و شکل گیری این پدیده نامعلوم است. هدف اصلی در این تحقیق مطالعه پدیده شناسی پرش های هیدرولیکی چندضلعی است. به همین منظور، این پدیده به روش آزمایشگاهی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که علت شکل گیری پرش هیدرولیکی چندضلعی، حضور اغتشاشات و ناپایداری های موجود در جریان، سیستم و یا محیط است. این ناپایداری ها بر اساس پدیده رایلی‐پلاتو و در حضور اثرات کشش سطحی و لزجت، پرش هیدرولیکی دایروی پایدار را ناپایدار کرده و آن را به یک پرش چندضلعی تبدیل می کند. با حذف ناپایداری ها، پرش دایروی پایدار ایجاد گردید. این پرش بر خلاف نتایج محققان در کارهای قبلی از اعداد رینولدز کم تا اعداد رینولدز بالا پایدار است. همچنین در این تحقیق، رفتار پرش های هیدرولیکی چندضلعی که در کارهای قبلی و در حضور ناپایداری ها شکل گرفته اند، بررسی شد. در یک دبی ثابت، مساحت داخل پرش، برای همه پرش های ممکن، تقریبا با خطای کمتر از حدود 10 درصد، برابر است. از بین چندضلعی های با تعداد اضلاع برابر که برای یک دبی خاص محتمل است، پرش به شکل چندضلعی منتظم درمی آید؛ زیرا به طور طبیعی، کشش سطحی تلاش می کند تا کمترین سطح رویه ممکن را برای پرش ایجاد کند.

    کلیدواژگان: پدیده شناسی، پدیده ی رایلی-پلاتو، پرش چند ضلعی، چند ضلعی منتظم، پرش دایروی پایدار
  • فرهاد وحیدی نیا، قنبرعلی شیخ زاده* صفحات 105-121

    در این مقاله، روابط ارایه شده در متون علمی برای ضریب اصطکاک جریان مغشوش سیال پایه و نانوسیال به صورت آماری بررسی و تحلیل شده است. به منظور تحلیل آماری و انتخاب بهترین تابع توزیع احتمال برای پارامتر ضریب اصطکاک، از 48 تابع توزیع احتمالاتی و 3 آماره کولموگروف‐اسمیرنوف، اندرسون‐دارلینگ و مربع کای استفاده شده است. پس از تجزیه وتحلیل نتایج، مشخص گردید که بر اساس هر سه آماره، تابع توزیع احتمال ضریب اصطکاک در سیال پایه و نانوسیال، تابع توزیع احتمال جانسون اس بی است. همچنین مشاهده گردید که تابع توزیع احتمال ضریب اصطکاک سیال پایه و نانوسیال نسبت به تابع توزیع نرمال پهن تر است. از طرفی دیگر، چولگی تابع توزیع احتمال جانسون اس بی به طرف راست است.

    کلیدواژگان: ضریب اصطکاک، جریان مغشوش، تابع توزیع احتمال جانسون اس بی، آماره های کولموگروف اسمیرنوف، اندرسون دارلینگ و مربع کای
  • فریبا وحیدی فر، محمدعلی مهرپویا* صفحات 123-138

    امروزه کنترل بهینه کاربردهای وسیعی در علوم مختلف پیدا کرده است. دراین بین، دسته ای از مسایل کنترل بهینه تحت عنوان مسایل کنترل بهینه سوییچ دار، ظهور پیدا نموده اند که در آنها تابع کنترل، شامل یک پرش ناپیوسته از یک مقدار اکسترمم به مقدار اکسترمم بعدی است و به طور خطی در تابع هدف و معادلات دینامیکی ظاهر می گردد. این مسایل در عمل بسیار دیده شده و به طور ویژه دارای کاربردهای فراوانی در مهندسی هوافضا، جرثقیل ها و ربات های صنعتی هستند. آنچه در حل این دسته از مسایل کنترل بهینه حایز اهمیت است، پیدا کردن نقاط سوییچ با دقت بالا است. در این مقاله، یک روش پرتابی بهبودیافته جهت حل کارای این دسته از مسایل کنترل بهینه ارایه می گردد. به این منظور، ابتدا روش پرتابی مرسوم برای حل عددی این مسایل بازگو و نقاط ضعف آن در یافتن نقاط سوییچ گوشزد می شود. سپس با بازطراحی روش با استفاده از تابع کنترل پارامتری شده، مسئله را به یافتن جواب معادله پرتابی طوری هدایت می کنیم که در آن، نقاط سوییچ و مقادیر اولیه متغیرهای الحاقی، پارامترهای مجهول مسئله باشند. بدین ترتیب، نقاط سوییچ و طبعا جواب مسئله کنترل بهینه سوییچ دار، با دقت بالایی به دست خواهد آمد. برای نشان دادن دقت روش پیشنهادی، نتایج روش روی پنج مسئله معیارسنج گزارش گردیده و کارایی روش نشان داده خواهد شد.

    کلیدواژگان: کنترل بهینه سوییچ دار، اصل مینیمم پونتریاگین، روش پرتابی، کنترل پارامتری شده
  • محمدرضا باباییان، محمد حججی نجف آبادی* صفحات 139-154

    در این پژوهش اثرات برآمدگی های دوگانه به عنوان یک روش جدید، کم هزینه و ساده در کنترل بردار پیشرانش در یک نازل همگرا‐واگرا در رژیم مافوق صوت که عدد ماخ اسمی آن 2 است، به صورت تجربی بررسی می شود. برآمدگی های مورد استفاده دو قطعه استوانه ای شکل است که جلوی جریان در قسمت واگرای نازل قرار داده می شود. این برآمدگی ها در موقعیت های 80 درصد طول قسمت واگرای نازل از گلوگاه نازل به صورت عرضی و با زاویه 45 درجه نسبت به یکدیگر نصب شده و به صورت هم زمان در مسیر جریان اعمال می شود. میدان جریان به وسیله تصویربرداری شلرین همراه با اندازه گیری تغییرات فشار روی دیواره های نازل انجام شده است. نتایج نشان می دهد چیدمان عرضی برآمدگی های دوگانه در نازل می تواند زاویه بردار پیشرانش را تا 3.5 درجه در شرایط بررسی شده افزایش دهد. همچنین ضمن دستیابی به زاویه انحراف مشخص با نسبت نفوذ کمتر در مقایسه با استفاده از یک برآمدگی تا 5.5 درصد افت پیشرانش محوری را کم نمود.

    کلیدواژگان: کنترل بردار پیشرانش، مافوق صوت، نازل همگرا- واگرا، برآمدگی، آیرودینامیک تجربی
  • مرجان علییاری*، فائزه فرهادی صفحات 155-164

    در این مقاله، یک مدل خط لوله گاز همراه با نشت ارایه می شود. این مدل نیازی به ارزیابی ویژگی های تجهیزات پایین دستی ندارد و به روش های عددی پیچیده تکیه نمی کند. تغییرات متغیرهای جریان را می توان با دقت مدل پیش بینی کرد. در این مدل، یک رویکرد جدید مبتنی بر شباهت بین خط لوله و مدار الکتریکی پیشنهاد می شود، به طوری که، یک مدار معادل با یک ساختار خاص برای شبیه سازی خط لوله نشت استفاده می شود. این رویکرد نوین را می توان برای ارزیابی تلفات ناشی از نشت و راهنمای عملکرد خط لوله و همچنین کمک به تشخیص نشت ارایه کرد. می دانیم که عبارات ریاضی متعددی در توصیف جریان در خط لوله با نشت فرموله شده است اما حل آنها به سادگی امکان پذیر نیست. این در حالی است که مدل ریاضی خط لوله با نشت را نیز می توان با این روش توسعه داد. این مدل با استفاده از داده های حاصل از یک خط لوله گاز واقعی تایید می شود. نتایج شبیه سازی به خوبی با نتایج تجربی تطابق دارد که این بر صحت مدل و اعتبار و کارایی روش پیشنهادی صحه می گذارد.

    کلیدواژگان: خط لوله، مدل سازی ریاضی، الگوی هیدرولیکی الکتریکی، شبیه سازی، نشت، مدار معادل
  • امیر حاجی خان میرزایی، علیرضا رئوف پناه * صفحات 165-178

    هدف اصلی در پژوهش حاضر معرفی روشی کارآمد و بدون نیاز به ابزارهای بیرونی جهت کاهش پسای وارد بر اجسام متحرک در سیالات است. رژیم جریان سیال آرام در نظر گرفته شده است. ابزار مورد نظر ریبلت های مستطیلی می باشند که به صورت عمود بر حرکت جریان سیال قرار گرفته اند. میدان جریان روی سطوح ریبلت دار با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در فضای دوبعدی به دست آمده است. اثر پارامترهای هندسی ریبلت ها شامل عرض و ارتفاع و هم چنین اندازه سرعت جریان آزاد بر میزان کاهش پسای وارد بر سطوح ریبلت دار نسبت به سطح صاف بدون ریبلت مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان از کارآمدی روش مذکور در کاهش پسای وارد بر سطح در رژیم جریان آرام دارد. حداکثر کاهش پسا در عرض ریبلت 1/0 میلی متر و سرعت جریان آزاد 10 متر بر ثانیه برابر با 7/8 درصد محاسبه شده است.

    کلیدواژگان: ریبلت، آب گریز، کاهش درگ، شبیه سازی عددی، دینامیک سیالات محاسباتی‏، کاهش پسا
|
  • Mohsen Rezaei, Farhad Haji Aboutalebi, Mehrdad Poursina, Sh.Hadian Jazi* Pages 1-12

    The helical gear systems have some distinctions such as more precision, long life and more applications in the industry, and less vibration, noise and transmission error compared to spur gear systems. One of the damages that can affect the operation of these systems is the gear tooth root crack. So, the crack detection in its early stages of growth and development is very important. The residual signal method is one of the common methods to extract the effect of crack from the system vibration signal. Since the residual signal calculation requires the information of the vibration response of the healthy state or the system initial parameters, providing a method to extract the effect of crack from the vibrating response without any more information is very helpful. In this research, at first the calculation of the helical gear pair mesh stiffness is explained, and the effect of tooth root crack is also described. Then, a single-stage helical gear system, with the motor and the load, is modeled and solved numerically to achieve the system dynamic response. Then, the effect of present method on the vibration signal obtained from the dynamic simulation of a system with a small crack is Shown and discussed. Finally, the proposed method is applied to the dynamic response signal of a system that presented in one of the previous researches, and its efficiency is illustrated.

    Keywords: Helical Gear, Crack Detection, Transmission Error, Signal Processing
  • Zeinab Pouransari, MohammadReza Zangeneh, A.Rasam* Pages 13-22

    In this research, large-eddy simulation of a turbulent square duct flow is performed at the friction Reynolds number , using the dynamic Samgorinsky (DS) subgrid-scale model and the results are discussed. To assess the accuracy of the DS model, the results are compared with the reference direct numerical simulation data. Moreover, to see the effect of the DS model, a numerical simulation without a subgrid-scale model is also performed and the results are compared with those of the DS model. Simulations are carried out using a second-order finite volume method for discretization of the Navier—Stokes equations. Results from the DS model simulations, for the grid used, are in good agreement with the direct numerical simulation data for the mean velocity and Reynolds stresses and an appreciable improvement is observed with respect to the no subgrid-scale model simulations.

    Keywords: Large-eddy simulation, dynamic Smagorinsky model, Turbulent flow, square duct
  • Emad Tandis*, Ali Ashrafizadeh Pages 23-38

    Numerical solution of conjugate heat transfer (CHT) problems in multi-region domains is a challenging issue in terms of efficiency and stability due to inherent coupling between governing equations in separate sub-domains. This paper aims at comparing two distinct strategies for coupling energy equations at interface of regions: partitioned and monolithic. While the former enforces strong coupling via iterative procedures, the latter suggests simultaneous solution of energy equation throughout all regions at once. More precisely, the primary objective of this study is to compare computational costs for three finite volume- based CHT solvers which share a same method for handling pressure-velocity coupling in the fluid, i.e. semi-implicit projection method, and are distinguished from the coupling strategy for energy equation at interface of interacting sub-domains. The first method applies simultaneous solution of energy equation across all regions while second and third ones use separate solver for each region with difference in handling iterative loops. The accuracy and convergence rate of three algorithms are assessed via transient solution of conjugate free convection in fluid and conduction in vertical wall. Finally, it is concluded that, in contrast to partitioned solver in OpenFOAM for CHT problems, employing a separate loop to enforce energy-energy coupling per iteration, can be much more beneficial in terms of computational costs.

    Keywords: Conjugate Heat Transfer, Monolithic, Partitioned, Coupling, Finite Volume, Convergence Rate, OpenFOAM
  • The Grafting of a Nylon Fiber Surface by a Mixture of Two Acrylic Monomers and the Evaluation of Optimum Values by using a Traditional Design of Experiment Software
    Mohammad Khosravi, Saeed Ostad Movahed* Pages 39-52

    Bio-fouling as a worldwide marine industries concern is the accumulation of micro and macro-organisms on the submersed surfaces in the sea water. It has destructive effects on the sunk parts of the ships, fish cages and all other marine submersed structures. To reduce bio-fouling on the nylon fibers a dual mix of 2-Hydroxy ethyl methacrylate(HEMA) and methyl acrylate(MA) was grafted on the fiber surface using a pre-irradiation technique in different conditions. Subsequently, degree of grafting and homo and or co-polymer % of the aforementioned monomers at different operative parameters including reaction temperatures (60-90℃), and times (1-4h), pre-irradiation time (10-40min) and also initiator concentration (3-9wt%) were measured and the results were compared and discussed with those calculated values by a traditional design of experiment software (Design expert®). The optimum grafting conditions and the interaction between above mentioned parameters were evaluated by the software using four variables and two surface responses with central point design method. It found that increasing pre-irradiation time and also initiator concentration improved the grafting % of the monomers on the fiber surface. The reason referred to increasing the active sites on the fiber surface after pre-irradiation. With the aid of variance analysis and considering p-values variable with 0.05 confidence interval, it revealed that the important parameters lied down in the order of reaction temperature, reaction time, pre-irradiation time and initiator concentration. Also, the results were confirmed statistically by the characteristic coefficient, adjustment coefficient and fit precision of 96%,93% and 30.302, respectively. The real values for degree of grafting and also homo and co-polymer percent were 47.9% and 41.15% respectively. They were in conformity with predicted values by mathematical model with the values of 38.59 and 43.42%. Also, two equations were proposed by the software for calculation of the aforementioned parameters with studied operative parameters.

    Keywords: Nylon Fibers, 2-Hydroxy Ethyl Methacrylate, Methyl Acrylate, Grafting percent (%), Design of Experiment
  • S.M. Varedi-Koulaei, mahdi bamdad*, Borzoo Fathi Pages 53-68

    To create a relative movement between connected members in a mechanism, the presence of clearance in the joints is inevitable. In addition to raise errors in positioning accuracy, the presence of clearance is one of the most important factors in causing impact, shock, and thus the production of vibrations and sound during the operation of the mechanism. Tolerances and errors due to the process of design and construction, wear and corrosion of joints after a certain period of work and thermal effects are known as the most important sources in creating and increasing clearance. Obviously, if there is a clearance in the revolute joints, one or two degrees of uncontrollable freedom are added to the mechanism, which can be the source of the error. In this paper, the clearance effects of revolute joints on the kinematic behavior of a 3RPR parallel robot are examined. Parallel robots are modeled in the Adams Dynamic Analysis Software, and the simulation results are compared for two ideal (without clearance) and real mode (with clearance). The effects of joint clearance size and its effect on robot behavior are also evaluated. Numerical results show that by growing the size of the clearance, the values of velocity and acceleration increase dramatically.

    Keywords: Joint clearance, Kinematics, Dynamic Analysis, ADAMS Software, 3RPR Planar Parallel Manipulator
  • Akbar Allahverdizadeh, Behnam Dadashzadeh, Hamid Azimzadeh, Reza Jahangiri* Pages 69-86

    In this research, effects of various system parameters on nonlinear response of transverse vibrations of beam-like fluid conveying microtube with fixed simply supported boundary conditions under axial magnetic parametric resonance condition is investigated. Reddy’s first order shear deformation theory and Eringen nonlocal elasticity theory are used to derive microtube nonlinear equations of transverse motion considering nonlinear geometric terms of von-Karman. For fluid flow velocities more than flutter critical velocity, behavior of 2 DoF nonlinear system is studied under parametric magnetic resonance condition. By deriving nonlinear response curves, effects of various parameters including magnetic excitation amplitude, parameter of excitation frequency and nonlocal stress parameter on resonance amplitude is investigated and discussed.

    Keywords: Nonlinear Vibrations, Fluid Conveying Microtube, Parametric Magnetic Resonance, Nonlocal Elastisity Theory
  • Ali asadi, AliReza teymourtash, M. Malek Jafarian* Pages 87-104

    Polygonal hydraulic jump is among the subjects widely studied by scientists in recent years. Although this phenomenon was discovered nearly two decades ago, many of the probable reasons behind it remain unknown. Accordingly, the main goal of the present study is to conduct a laboratory-scale phenomenological investigation on polygonal hydraulic jumps. The results indicated that the main cause of polygonal hydraulic jumps is the presence of disturbances and instabilities in flows, systems, or environments. Given the Plateau–Rayleigh instability, in the presence of surface tension and viscosity effects, the disturbances and instabilities create stable circular jumps unstable and then turn them into polygonal jumps. A stable circular jump was created with the elimination of instabilities, and the jump, unlike what observed in previous studies, was stable at a low to high range of Reynolds number. In addition, the behavior of polygonal hydraulic jumps formed in previous studies in the presence of instabilities was investigated. In a constant flow rate, the area inside the jump was equal for all the possible jumps at an error level of less than 10%. Among the polygons with an equal number of sides, which are possibly observed in a particular flow rate, the jump changes into a regular polygon, as the surface tension naturally tends to create the minimum possible surface area for the jump.

    Keywords: Phenomenology, Plateau–Rayleigh Instability, Polygonal Jump, Regular Polygon, Stable Circular Jump
  • Farhad Vahidinia, G.A.Sheikhzadeh* Pages 105-121

    In this paper, the presented correlations in scientific literature for friction factor of turbulent flow in the base fluid and nanofluid has been analyzed statistically. In order to perform the statistical analysis and select the best probability distribution function for the friction factor, from 48 probability distribution functions and 3 statistic of Kolmogorov-Smirnov, Anderson-Darling and chi squared has been used. The results show that, based on all three statistics, the probability distribution function of the friction factor in the base fluid and nanofluid is the Johnson SB probability distribution function. Furthermore, it was observed that the probability distribution function of the friction factor of the base fluid and nanofluid is wider than the normal distribution function. On the other side, the probability distribution function of Johnson SB has a right skewness.

    Keywords: Friction Factor, Johnson SB Probability Distribution Function, Turbulent Flow, The Statistics of Kolmogorov-Smirnov, Anderson-Darling, Chi Squared
  • Fariba Vahidifar, M.A.Mehrpouya* Pages 123-138

    Optimal control appears in some of the well-known areas of science in recent decades. In optimal control field, a classical subject is the switching optimal control problems which arise in some well-known application areas, such as aerospace engineering, cranes and industrial robots. In these problems, the input control jumps from one boundary to another and appears linearly in the objective function and the dynamical equations. What’s important in solving these problems, is finding the switching points with high accuracy. In this paper, an improved shooting method for solving these problems is investigated. For this purpose, the well-known indirect shooting method for numerical solution of this class of optimal control problems is first reviewed and it’s deficiency in obtaining the switching points accurately, is expressed. Then, with redesigning the method by applying a control parameterization, we transform the problem to the solution of the shooting equation, in which, the values of the switching points and the initial values of the costate variables are unknown parameters. This leads the switching points are captured accurately and thereby accurate solution of the problem is obtained. Numerical results of five benchmark examples are presented and efficiency of the method is reported.

    Keywords: Switching Optimal Control, Pontryagin’s Minimum Principle, Shooting Method, Control Parameterization
  • MohammadReza Babaeyan, M. Hojaji* Pages 139-154

    In this study, effects of the use of dual transverse protuberances (DTP) as a new, low cost and simple method in controlling the thrust vector in a C-D  nozzle, whose nominal Mach number is 2, was investigated. The protuberances used are two cylindrical shapes that are placed in front of the flow in the divergence part of  nozzle. Protuberances are installed in 80% of the length of the nozzle divergence section from nozzle throat, transversely and at a 45° angle to each other. The flow field was investigated by schlieren imaging, along with measuring the pressure distributions on the nozzle walls. The results show that using the DTP in the nozzle can increase the angle of the thrust vector to 3.5 degrees in the examined conditions. Also,it can be achived in compare to using a single protobrance with lower thrust loss up to 5.5%.

    Keywords: TVC, C-D Nozzle, Supersonic Flow, Protuberance, Experimental Aerodynamics
  • Faezeh Farhadi, M.Aliyari* Pages 155-164

    In this paper, a gas pipeline model with leakage is presented. This model does not need to evaluate the characteristics of downstream equipment and does not rely on sophisticated numerical methods. Changes in the flow variables can be accurately predicted by the model. In this model, a new similarity-based approach is proposed between the pipeline and the electrical circuit, in which a circuit equivalent to a specific structure is used to simulate the leakage pipeline. This new approach can be used to assess leakage losses and guide pipeline operation as well as to help detect leaks. We know that many mathematical expressions have been formulated to describe the flow in a pipeline by leakage, but it is not easy to solve. However, the mathematical model of a leaky pipeline can also be developed with this method. This model is validated using data from a real gas pipeline. The simulation results are in good agreement with the experimental results which confirm the validity of the model and the validity and efficiency of the proposed method.

    Keywords: Pipeline, Mathematical Modeling, Hydraulic–Electric Analogy, Simulation, Leakage, Equivalent Circuit
  • Amir Haji Khan Mirzaei, Alireza Raoufpanah* Pages 165-178

    This paper aims to introduce an efficient and passive method in order to reduce the amount of drag exerted on the surfaces of the objects moving in the water. The flow regime is considered as laminar. The desired method is to use rectangular riblets being perpendicular to the flow direction. Two-dimensional computational fluid dynamics is utilized to resolve the flow field around the ribbed surfaces. The effects of geometrical parameters of riblets including width and height as well as free-stream velocity on the amount of drag reduction are numerically calculated. The numerical results certify the efficiency of rectangular riblets as a drag reduction tool in the laminar flow regime. Maximum amount of the drag reduction is about 8.7% achieved for the riblets width of 0.1 millimeter and at free-stream velocity of 10 m/s.

    Keywords: Riblet, ‎, Hyrophobic, Drag reduction, Numerical simulation‎, Computational Fluid Dynamics