فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و دوم شماره 9 (آذر 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/09/12
  • تعداد عناوین: 18
|
  • محسن کاشی پرپینچی، علیرضا صادقی، منصور خانکی، سید عباس سادات سکاک* صفحه 1

    فرآیندهای مایع‎سازی گاز طبیعی نیازمند هزینه سرمایه‎گذاری و عملیاتی زیادی می‎باشند و جزء صنایع پر مصرف از لحاظ انرژی به حساب می‎آیند. در این تحقیق پارامترهایی مانند ترکیب مبرد و فشار ورودی و خروجی به کمپرسور در سیستم تبرید مبرد چند جزیی دو طبقه‎ای جهت کاهش توان مصرفی ویژه با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات بهینه شد. سیستم بهینه شده مورد ارزیابی اگزرژی قرار گرفته‎است تا میزان اتلاف اگزرزی در اجزای مختلف سیستم به دست آید، نتایج حاصل نشان می‎دهد که بیشترین اتلاف اگزرژی به ترتیب در کمپرسورها، مبدل‎های حرارتی، خنک‎کن‎ها و شیرهای فشار شکن می‎باشد. علت بالا بودن اتلاف اگزرزی در کمپرسورها پایین بودن راندمان پلی‎تروپیک آنها می‎باشد. در تحلیل اگزرژی مشخص گردید که اتلاف اگزرژی در مبدل حرارتی چرخه اصلی، 4 درصد بیشتر از مبدل حرارتی چرخه پیش سرمایش می‎باشد که به دلیل اختلاف دمای زیاد در ورودی و خروجی جریان‎ها در مبدل حرارتی است. انتخاب مبدل حرارتی مناسب می‎تواند به کاهش هزینه‎های سرمایه‎گذاری کمک کند به همین منظور تحلیل تاثیر اندازه مبدل حرارتی بر توان مصرفی ویژه صورت گرفت، نتایج نشان داد که تغییرات اندازه مبدل حرارتی در نزدیکی نقطه بهینه بر روی توان مصرفی چرخه کم است و با فاصله گرفتن از نقطه بهینه این تاثیر افزایش می‎یابد با این وجود منحنی چرخه اصلی به دلیل داشتن شیب کمتر تاثیر بیشتری بر روی توان مصرفی چرخه خواهد داشت.

    کلیدواژگان: فرآیند مبرد چند جزئی دوطبقه‎ای، مایع‎سازی گاز طبیعی، اگزرژی، بهینه‎سازی
  • امید مهدوی کشاور، علی جعفریان*، صابر دلدار صفحه 2

    بویلرهای بازیاب حرارت تولید بخار به عنوان بخش حیاتی واحدهای تولید همزمان نقش مهم و اساسی در بازیابی انرژی فرآیندها ایفا می کنند. بازیابی انرژی محصولات احتراق خروجی از توربین گاز از طریق بویلر بازیاب حرارت انجام می گیرد. در سیستم های انرژی، تغییرات ناگهانی (حاصل از سیکل های بالادستی و پایین دستی) در شرایط بویلر بازیاب، موجب تحت تاثیر قرار گرفتن عملکرد و پارامترهای مهم بویلر بازیاب حرارت از جمله دمای دیواره لوله های بالابرنده و فشار بخار درام می شود. با توجه به مورد نیاز بودن تحلیل دقیقی از نرخ تغییر پارامترهای بویلر بازیاب برحسب زمان به منظور تصمیم گیری در مورد فرآیندهای بویلر از جمله راه اندازی و خاموشی، پژوهش حاضر به مطالعه و بررسی رفتار گذرای بویلر با استفاده از شبیه سازی دینامیکی پرداخته است. بدین منظور مدل یک بعدی (مدل نقطه ای) سیکل گردش طبیعی اواپراتور همراه با مدل های درام و انتقال حرارتی بویلر برای شبیه سازی درنظر گرفته شده است. سناریوهای حالت گذرا شامل تغییرات در شار ورودی به دسته لوله ها ناشی از تغییر بار توربین گازی (سیکل بالادستی)، دبی آب تغذیه و میزان بخار مورد تقاضا (دبی بخار تولیدی) سیکل پایین دستی است. کد کامپیوتری با هدف حل معادلات گذرای حاکم بر مدل یک بعدی بویلر بازیاب و استخراج پاسخ رفتار گذرای (دینامیکی) پارامترهای کلیدی بویلر نسبت به سناریوهای مختلف، توسعه داده شده است. نتایج شبیه سازی دینامیکی نشان می دهد که افزایش 5 درصدی نرخ گرمای ورودی به بویلر، افزایش 15 درصدی فشار درام و بالا رفتن حدود 10 درجه ای دمای دیواره لوله های بویلر را در پی دارد. همچنین افزایش 20 درصدی شار حرارتی به دسته لوله ها ناشی از تغییر بار توربین گازی منجر به بالارفتن حدود 35 درجه ای دمای دیواره لوله ها می شود.

    کلیدواژگان: تولید همزمان، بویلر بازیاب گردش طبیعی، رفتار گذرا، مدل یک بعدی، تولید بخار
  • سید مجتبی واردی کولایی*، مسعود عبدالمحمدی، حبیب احمدی، مصطفی نظری صفحه 3

    امروزه با توجه به کاهش سوخت های فسیلی و اعمال مدیریت در بهره برداری از آن ها، استفاده از انرژی باد به عنوان یکی از کاراترین منابع انرژی تجدیدپذیر در حال افزایش است و در سال های گذشته، طراحی، ساخت و بهینه سازی مزارع باد، که شامل مجموعه ای از توربین ها در یک مزرعه وسیع می باشند، توسعه بیشتری یافته است. در این مقاله به جانمایی توربین ها در مزرعه باد پرداخته شده و تاثیر موقعیت آن ها بر توان خروجی کل مجموعه مورد بررسی قرار می گیرد. بدین منظور، زمینی مربعی شکل در نظر گرفته شده است و با داشتن اطلاعات مربوط به چگونگی وزش باد و سرعت آن در هرجهت براساس تابع توزیع ویبول، محل بهینه قرارگیری توربین های باد در مزرعه با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی استخراج خواهد شد. هدف اصلی پژوهش، افزایش مجموع توان دریافتی از توربین های مزرعه باد، براساس تغییر در موقعیت توربین ها می باشد. این مساله بهینه سازی با قیودی همچون حداکثر تعداد توربین ها در یک مزرعه، حداقل فاصله بین توربین های مزرعه و ابعاد کلی مزرعه همراه خواهد بود. برای حل این مساله بهینه سازی، از دو روش الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات استفاده شده و نتایج با هم مقایسه شده اند. بررسی نتایج این پژوهش نشان می دهد توان دریافتی از کل توربین های جایابی شده در مزعه باد، نسبت به کارهای قبلی افزایش یافته است.

    کلیدواژگان: مزرعه باد، بهینه سازی، جانمایی توربین، الگوریتم ژنتیک، الگوریتم ازدحام ذرات
  • ملیحه کرمی، فرامرز سرحدی*، فاطمه صبح نمایان صفحه 4

    در پژوهش حاضر به تحلیل عملکرد سیستم گرمایش ساختمان مجهز به پمپ حرارتی منبع زیر زمینی و گردآورنده فتوولتاییک/حرارتی پرداخته شده است. اجزاء سیستم مورد مطالعه شامل منبع کروی زیرزمینی، گردآورنده فتوولتاییک/حرارتی و پمپ حرارتی می باشد. بررسی عملکرد سیستم ترکیبی از دو منظر انرژی و اکسرژی صورت گرفته است. توسط توسعه موزانه انرژی برای اجزاء مختلف سیستم روابطی تحلیلی برای محاسبه دمای آب منبع کمکی، دمای سلول خورشیدی، دمای صفحه جاذب و نرخ حرارت جذب شده گردآورنده فتوولتاییک/حرارتی به دست آمده است. توان الکتریکی خروجی مدول فتوولتاییک توسط مدل الکتریکی چهار پارامتری جریان-ولتاژ محاسبه شده است. با نوشتن موازنه اکسرژی برای اجزاء مختلف سیستم برگشت ناپذیری آن ها مشخص شده است. نتایج شبیه سازی تحقیق حاضر در توافق خوبی با داده های آزمایشگاهی تحقیقات پیشین می باشد. بررسی نتایج نشان می-دهد که برای تعداد گردآورنده 65 عدد و دبی جرمی kg/s 0.25 راندمان انرژی و اکسرژی حداکثر می باشد. کاهش حجم منبع کاهش دمای آب منبع کمکی را به دنبال دارد. افزایش 30 درصدی تعداد گردآورنده های PV/T افزایش 25 درصدی دمای آب را سبب می شود. بیشترین و کمترین دمای آب منبع کمکی به ترتیب در زمینی از جنس سنگ ریزه زبر و گرانیت مشاهده شد.- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

    کلیدواژگان: ذخیره انرژی، منبع زیر زمینی، گردآورنده فتوولتائیک، حرارتی، بازگشت ناپذیری
  • قاسم حیدری نژاد*، هادی پاسدار شهری، محمد صفرزاده صفحه 5

    در این مقاله به کمک روش شبیه سازی گردابه های بزرگ رفتار آتش استخری بزرگ مقیاس مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی کارایی مدل‏های احتراقی مختلف در شبیه‏سازی آتش و همچنین بررسی سازگاری مدل احتراقی با مدل زیرشبکه، دو مدل احتراقی اضمحلال گردابه (EDM) و سینتیک سریع در دو حالت مدل زیر شبکه‏ی اسماگورینسکی و تک-معادله‏ای، مورد ارزیابی قرارگرفته شد. در حالت کلی مدل احتراقی سینتیک سریع با پیش‏بینی بیش از حد احتراق، میزان سرعت و دما را مقداری بیشتر از نتایج تجربی مدل می کند، اما مدل احتراقی EDM به علت استفاده از زمان مشخصه‏ی اغتشاشی و نفوذ می‏تواند احتراق را دقیق تر مدل کند و در نتیجه نتایج میدان سرعت و دما را دقیق تر پیش‏بینی می کند. همچنین مدل احتراقی EDM در حالتی که از مدل زیر شبکه‏ی تک معادله‏ای استفاده شود، بهترین مدل در پیش‏بینی میدان سرعت است به نحوی که در مقاطعی از میدان حل با اختلاف حدود 5-10 درصد در محدوده‏ی نتایج تجربی قرار می‏گیرد، اما مدل احتراقی سینتیک سریع بر خلاف مدل EDM زمانی که با از مدل زیر شبکه‏ی اسماگورینسکی استفاده شود نتایج بهتری ارایه می‏دهد و زمانی که با مدل زیر شبکه ی تک معادله ای به کار رود، نتایج میدان سرعت را با دقت پایین تری، مدل می‏کند.

    کلیدواژگان: آتش استخری، مدل اضمحلال گردابه (EDM)، مدل احتراقی سینتیک سریع، مدل زیرشبکه‏ی‏ اسماگورینسکی و تک-معادله‏ای
  • علیرضا علی پور*، کیومرث مظاهری صفحه 6

    در کار حاضر، دینامیک های شعله برای احتراق پیش آمیخته رقیق هیدروژن - هوا در یک میکروکانال گرم شونده با استفاده از شبیه سازی عددی استخراج می شود. به منظور شبیه سازی پدیده احتراق در این مقیاس معادلات نویر-استوکس به همراه معادلات بقای انرژی و بقای گونه با فرمولبندی عدد ماخ پایین و با در نظر گرفتن سینتیک جزیی در نظر گرفته می شود. با توجه به شرایط مختلف، سه رژیم خاموشی-اشتعال مکرر، رژیم پایای متقارن و رژیم پایای نامتقارن برای شعله مشاهده می شود. فیزیک حاکم بر رژیم های مختلف، تاثیر سرعت جریان ورودی، نسبت هم ارزی و عرض کانال بر رژیم های شعله بررسی می گردد. رژیم خاموشی-اشتعال مکرر در سرعت های پایین و در نزدیکی حد شعله وری پایین مشاهده می شود. با افزایش سرعت جریان ورودی و ایجاد تعادل بین مقیاس زمانی واکنش و مقیاس زمانی اقامت سیال در کانال، شعله ای پایا و متقارن درون کانال مشاهده می شود. در این حالت مقدار بیشینه دما و کسر جرمی گونه ها بر روی خط تقارن کانال قرار دارد. در ادامه با افزایش سرعت جریان ورودی در یک کانال معین، شعله در ناحیه خط تقارن کانال، به سمت پایین دست جریان حرکت می کند و در نزدیکی دیوار کشیده می شود. در این حالت سطح جبهه شعله مستعد ناپایداری می باشد و تحت تاثیر اغتشاشات موجود در کانال، جبهه شعله ناپایدار می شود. نقشه های رژیم شعله در ابعاد کوچک، برای مخلوط هیدوژن-هوا براساس سه پارامتر سرعت جریان ورودی، نسبت هم ارزی و عرض کانال در یک میکروکانال ارایه گردید.

    کلیدواژگان: احتراق در مقیاس کوچک، میکروکانال گرم شونده، دینامیک شعله، شبیه سازی عددی
  • علی فرضی*، پروانه خلعتی صفحه 7

    با گسترش صنایع و افزایش مصرف انرژی در جهان، انتشار آلاینده اکسیدهای نیتروژن، NOx، که از احتراق سوخت های فسیلی در موتورهای درون سوز و صنایع تولید می شوند، با سرعت زیادی در حال افزایش است. بنابراین کنترل انتشار و حذف NOx از اهمیت بسیاری برخوردار است. در این مطالعه، مدلسازی و شبیه سازی کاهش کاتالیستی انتخابی NOx در یک بستر کاتالیستی در دو حالت پایا و دینامیک انجام گردید. نتایج حالت پایا نشان داد که با توجه به اثر شدید دما بر میزان تبدیل NOx و رقابت واکنش اصلی با اکسیداسیون آمونیاک توسط O2، تبدیل NOx نیاز به یک فیلتر کاتالیستی در محدوده دمای 300 تا °C350 دارد. نتایج نشان داد که میزان تبدیل NO با کاهش سرعت فضایی گاز و افزایش غلظت NO ورودی افزایش می یابد. در حالت دینامیک، نتایج حالت پایا به عنوان شرایط اولیه برای شبیه سازی دینامیک استفاده شدند و اثر تغییرات در پارامترهای موثر شامل سرعت فضایی گاز، غلظت NO ورودی و نسبت NH3/NO ورودی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین شبیه سازی حالت پایای فرایند با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی پیش خور انجام گرفت و مقادیر تبدیل NO و NH3 به عنوان تابعی از سرعت فضایی گاز، دمای راکتور و غلظت NO در نسبت ثابت NH3/NO تخمین زده شدند. 96 شبکه با تعداد نرون های مختلف و دو تابع فعال سازی مختلف در لایه مخفی با سه بار تکرار، آموزش داده شدند. شبکه بهینه حاصل، ماکزیمم متوسط خطای مربعی حدود 0.01 را نسبت به نتایج مدلسازی ریاضی نشان داد که حاکی از کارآیی بالای شبکه عصبی در پیش بینی عملکرد فرایند می باشد.

    کلیدواژگان: کاهش کاتالیستی انتخابی NOx، راکتور لانه زنبوری، مدلسازی ریاضی، شبیه سازی فرایند، شبکه عصبی مصنوعی
  • سید حسین مسروری سعادت*، مظاهر رحیمی اسبویی، مهرزاد شمس، مجید قاسمی صفحه 8

    پیل سوختی پلیمری با ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تولید آب، انرژی آزادشده در طی فرایند شیمیایی را به برق تبدیل می کند، لذا به عنوان انرژی پاک بسیار مورد توجه می باشد. مهم ترین موانع در راستای تجاری سازی این فناوری، مشکلات مربوط به کنترل میزان آب تولیدی و مدیریت آن در پیل سوختی، مدیریت گرما و غیره می باشد. موضوع مدیریت آب در پیل های سوختی پلیمری، دراجزای مختلف آن قابل تحقیق است، در کار حاضر به بررسی فرایند حرکت قطرات شکل گرفته در کانال های جریان گاز، مرتبط با پیل سوختی پلیمری به همراه منیفولد های ورودی و خروجی، به منظور فهم صحیح از دینامیک جریان مایع، پرداخته شده است. با توجه به ابعاد کوچک این کانال ها، توازن نیروهای غالب و موثر بر حرکت جریان مایع به سمت کشش و چسبندگی سطحی می باشد، بنابراین، از مدل نیمه تجربی هافمن به همراه روش دوفاز عددی حجم سیال برای شبیه سازی حاضر استفاده شده و هندسه اصلاح شده مورد یررسی قرارگرفته است، در این مطالعه زاویه تماس دینامیک و حرکت دینامیک قطره در یک هندسه کاربردی که شامل منیفولدهای توزیع کننده جریان گاز در پیل سوختی پلیمری می باشد با استفاده از مدل دوفازی حجم سیال مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. اثر شیب دار کردن مقطع منیفولد بر دفع قطرات آب مایع نسبت به حالت مستقیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. با تغییر هندسه منیفولدهای ورودی و خروجی مشکل ایجاد شده در هندسه متداول که موجب انسداد کانال ناشی از آب مایع می شده، بر طرف می شود. درنتیجه اصلاح هندسه سبب بهبود مدیریت آب در کانال ها می شود.

    کلیدواژگان: پیل سوختی پلیمری، مدیریت آب، جریان دوفاز، دینامیک قطره، تابع هافمن
  • احمد رضایی سنگتابی، علی کیانی فر*، ابراهیم علیزاده، مظاهر رحیمی اسبویی، سید حسین مسروری سعادت صفحه 9

    در یک پیل سوختی پلیمری، رسانایی پروتونی غشا به میزان رطوبت وابسته بوده و استفاده از گازهای واکنش دهنده در حالت اشباع می تواند عملکرد پیل سوختی را بهبود بخشد. انتقال حرارت گاز واکنش دهنده با دیوار استک باعث چگالش بخشی از بخار آب موجود در گاز ورودی می شود. تغییر فاز، توزیع جریان گاز در میان سلول های استک را تحت تاثیر قرار می دهد. در این مقاله از دینامیک سیالات محاسباتی برای بررسی تاثیر تغییر فاز بخار آب در توزیع جریان گاز اکسیژن در بخش کاتد یک استک پیل سوختی پلیمری با 26 سلول استفاده شده است. به همین منظور، کدی در نرم افزار OpenFOAM توسعه یافته و با داده های آزمایشگاهی برای توزیع جریان تک فاز اعتبارسنجی شده است. سه شرط مرزی متفاوت به دیوار منیفولد اعمال شده است: دماثابت، انتقال حرارت جابه جایی آزاد و اجباری. نتایج نشان می دهد که آب تولیدی از چگالش بر روی دیوار پایین منیفولد وارد سلول اول می شود. همچنین تجمع آب در این ناحیه باعث کاهش سرعت جریان در ورودی سلول اول می گردد. آب چگالیده شده بر روی دیوار بالایی منیفولد به انتهای استک هدایت می شود. بخشی از آن وارد چهار سلول انتهایی شده و بخشی دیگر به دلیل گردابه به درون منیفولد بازمی گردد. بنابراین سلول اول و چهار سلول آخر مقدار کمتری واکنش دهنده دریافت می کنند. پارامتر توزیع غیریکنواخت جریان در حالت استفاده از اکسیژن اشباع و تحت شرایط جابه جایی اجباری 1425 درصد افزایش خواهد یافت.

    کلیدواژگان: جریان دوفازی، تغییرفاز، استک پیل سوختی، توزیع جریان، کسرحجمی
  • ابوالفضل نعمت پور کشتلی، محسن شیخ الاسلامی* صفحه 10

    در این مقاله به بررسی عددی رفتار ذوب مواد تغییر فاز دهنده در یک مبدل حرارتی دو لوله ای دو بعدی پرداخته شده است. فضای داخلی بین پوسته و لوله با استفاده از N-eicosane و ذرات مس به ترتیب به عنوان مواد تغییر فاز دهنده و نانو ذرات پر شده است و آب به عنوان سیال گرم در لوله داخلی جریان دارد. مطالعات عددی برای سه عدد استفان مختلف 05/0، 1/0و 2/0 انجام شده است. برای بررسی اثر نانو ذرات در سرعت انتقال حرارت، ذرات مختلفی از نانوذرات مس به مواد تغییر فاز دهنده پایه افزوده شده است. میزان افزایش عملکرد انتقال حرارت نانو ذرات در حالت جامد بیشتر از حالت مایع در جریان آرام و انتقال حرارت طبیعی بوده است. همچنین اثر آنتروپی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که نانوذرات باعث افزایش هدایت حرارتی مواد تغییر فازدهنده نانو نسبت به مواد تغییر فازدهنده معمولی می شود. زمان ذوب مواد تغییر فاز دهنده با افزایش دما از 40 به 45 و 55 درجه سانتی گراد باعث کاهش زمان ذوب تا 53 و 76 درصد می گردد. همچنین افزایش نانو ذره با کسر حجمی 04/0 به مواد تغییر فاز دهنده در این سه دما باعث کاهش زمان ذوب تا20 درصد می گردد. افزایش هدایت حرارتی موثر در کاهش تولید آنتروپی سیستم، بسیار بیشتر از کاهش گرمای ویژه و حرارت نهان نانو مواد تغییر فاز دهنده است.

    کلیدواژگان: مواد تغییر فاز دهنده نانو، مواد تغییر فاز دهنده، نانو ذرات، آنتروپی، ذوب
  • رامین کوهی کمالی*، سید امیررضا حسینی صفحه 11

    شبیه سازی عددی پدیده جوشش از لحاظ تنوع مدل های دو فازی و کارآمدی هر یک همواره جز مسایل چالش بر انگیز است. جوشش یکی از روش های کارآمد انتقال حرارت با نرخ های زیاد می باشد. در شبیه سازی این پدیده انتخاب مدل مناسب برای تغییر فاز و همچنین بررسی سطوحی که بر روی آن جوشش اتفاق می افتد حایز اهمیت است. در این تحقیق مسئله جوشش هسته ای توسط روش دو فازی حجم سیال بصورت عددی شبیه سازی شده است. از روش بازسازی هندسی مرز مشترک برای بهبود کیفیت مرز مشترک بهره گرفته شده است. جهت صحت سنجی حلگر عددی از مسئله یک بعدی مرز مکشی استفان استفاده شده است. از دو مدل تغییر فاز لی و تاناساوا برای محاسبه نرخ تغییر فاز و محاسبه ترم های چشمه استفاده شده است. نتایج جوشش هسته ای بر روی سه سطح آب دوست، آب گریز و با زاویه تماس 90 درجه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که جوشش بر روی سطوح آبگریز سبب جدایی حباب های با شعاع بزرگتر و انتقال حرارت بیشتر شده و در هم آمیختگی حباب ها در هسته های جوانه زایی متفاوت، جوشش بر روی سطوح آب گریز را به سمت جوشش فیلمی سوق می دهد.

    کلیدواژگان: جوشش هسته ای، شبیه سازی عددی، زاویه تماس سطوح، مدل های تغییر فاز، انتقال حرارت و جرم
  • مرتضی بشیر*، صمد جعفر مدار، صابر یکانی مطلق، شهرام خلیل آریا صفحه 12

    در این مقاله، جریان همرفتی نانوسیال آب و نانو ذرات اکسید آلومینیوم داخل حفره ذوزنقه با استفاده از مدل دوفاز بونگیورنو به صورت عددی شبیه سازی شد. اثر تغییر زاویه اضلاع جانبی محفظه ذوزنقه ای بر انتقال حرارت، جرم و مومنتم مورد بررسی قرار گرفته شده است. معادلات حاکم بر مسیله، معادلات مومنتم، انرژی و انتقال کسر حجمی نانوذرات می باشند که به همراه شرایط مرزی به روش حجم محدود و الگوریتم سیمپل حل شده اند. برای گسسته سازی ترم های جابجایی و پخش به ترتیب از الگوهای بالادست و تفاضل مرکزی استفاده شده است. دیواره های چپ و راست حفره دمای ثابت و را داشته و دیواره های بالا و پایین عایق حرارتی می باشند. زاویه شیب اضلاع جانبی (چپ و راست) مابین (0 ،30 و 45 θ=) درجه و عدد رایلی بین 100 تا 10000 و کسر حجمی نانو ذرات از 01/0 تا04/0 متغیر می باشد. نتایج نشان می دهد در اعداد رایلی پایین به ازای مقدار نانوذرات یکسان، با افزایش زاویه اضلاع از صفر به 45 درجه ، عدد نوسلت و به تبع آن انتقال حرارت به میزان متوسط 81 درصد کاهش می یابد. از طرفی با افزایش عدد رایلی، برای محفظه در زاویه 30 درجه حالت بهینه حاصل و عدد نوسلت به میزان 5/5 درصد، نسبت به محفظه مربعی و 8/6 درصد نسبت به حالت 45 درجه افزایش می یابد. همچنین نتایج، توزیع نسبتا یکنواختی برای نانوذرات در رایلی های بالا در تمامی محفظه ها با زاویه اضلاع مختلف نشان می دهد.

    کلیدواژگان: حفره ذورنقه ی، جابجایی طبیعی، نانو سیال، ترموفورسس، مدل بونگیورنو
  • سمیرا پایان*، مهدی پاکدامن، سید مسعود حسینی سروری، سهیلا محمد پور صفحه 13

    در این مقاله یک الگوریتم بهینه سازی جهت بازسازی همزمان خواص تابشی و هدایتی در عایق های حرارتی یکپارچه، ساخته شده از نانو مواد بین دو صفحه تخت ارایه شده است. مسئله تابش با استفاده از روش جهت های مجزا تصحیح شده فرمول بندی می شود. مسئله هدایت و تابش با استفاده از روش حجم های محدود به صورت عددی حل می گردند. مسئله معکوس با استفاده از الگوریتم کوچ پرندگان حل می گردد. به منظور بررسی توانایی روش و توابع هدف پیشنهاد شده جهت بهینه سازی، ابتدا یک مسئله ساده مطرح و حل می شود. سپس الگوریتم چند مرحله ای، با توابع هدف جدید به منظور بازسازی خواص تابشی و هدایتی یک عایق حرارتی ساخته شده از نانو مواد به کار گرفته می شود. در حالت اول، ضریب جذب ثابت با استفاده از شدت های تابش خروجی مرزها در مرحله اول و پارامتر ثابت هدایت-تابش با استفاده از شار حرارتی کل مرزها در مرحله دوم بازسازی می شوند. در حالت دوم توانایی الگوریتم چند مرحله ای پیشنهادی با توابع هدف ترکیبی و جدید برای بازسازی پارامترهای تابشی و هدایتی متغیر با دما آزمایش می شود. در این آزمایش عددی از یک عایق حرارتی یکپارچه از نانو مواد به ضخامت 1 سانتی متر استفاده می شود. ارایه الگوریتم پیشنهادی و توابع هدف جدید بخصوص به بازسازی عدد پلانک به عنوان پارامتر هدایت- تابش کمک کرده و از حساسیت آن به خطای اندازه گیری کاسته است.

    کلیدواژگان: مسئله تابش-هدایت، بهینه سازی چند مرحله ای، تابع اهداف مجزا، عدد پلانک متغیر با دما، ضریب جذب متغیر با دما
  • محمدرضا حاج محمدی*، محمد احمدیان علمی، سید سلمان نورآذر صفحه 14

    در مطالعه ی حاضر افزایش انتقال حرارت از پره با قراردادن موادی با ضریب هدایت گرمایی بسیار بالا (ابررسانا) در داخل یک پره مستقیم، مورد توجه قرار می-گیرد. با توجه به ملاحظات اقتصادی، تنها بخشی از ساختار پره را می توان به این مواد اختصاص داد. بنابراین، یک ساختار هندسی مناسب و تا جای ممکن بهینه شده برای این مواد ارایه می گردد. هدف از بهینه سازی، بیشینه سازی انتقال گرما از پره، با تغییر هندسه ساختار مواد ابررسانا تحت قیدهایی نظیر ثابت بودن نسبت حجمی مواد ابررسانا می باشد. ساختار هندسی مواد ابررسانا با توزیع شاخه هایی با ضخامت های متغیر و توزیع خطی ارایه می گردد. تاثیر پارامترهای هندسی و فیزیکی مختلف، مانند عدد بایوت، نسبت ضخامت پره به طول آن، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره و نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره بر نتایج بهینه سازی گزارش می شود. نتایج نشان می دهد که برای شاخه های ابررسانا، یک هندسه بهینه وجود دارد، به گونه ای که برای آن هندسه بهینه، انتقال گرما از پره به بیش ترین مقدار ممکن افزایش می یابد. این افزایش انتقال گرما با افزایش درجه آزادی های ساختار هندسی مواد ابرسانا بیش تر می شود. مقدار افزایش انتقال گرما و همچنین ساختار بهینه مواد ابررسانا، وابسته به پارامترهایی نظیر عدد بایوت، نسبت ضخامت پره به طول آن، نسبت حجمی موادابررسانا به پره و نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره می-باشد. به طوری که با افزایش عدد بایوت، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره، کاهش نسبت ضخامت پره به طول آن و افزایش نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره، کارایی مواد ابررسانا در ازدیاد انتقال گرما بیش تر و مشهودتر می گردد.

    کلیدواژگان: پره، بهینه سازی، مواد ابررسانای گرمای، آنالیز گرمای، سطوح گسترده
  • بابک عرفان منش، محمدمحسن شاه مردان*، محمود نوروزی صفحه 15

    در این مقاله، برای اولین بار یک حل تحلیلی برای انتقال حرارت در پوسته های مخروطی کامپوزیتی ناهمگن وابسته به دما ارایه شده است. هندسه پوسته به طور کامل مخروطی شکل فرض شده است و الیاف به دور جسم، در جهات دلخواه پیچانده شده اند. به منظور دستیابی به کلی ترین حل، شرایط مرزی حرارتی اعمال شده به صورت کلی در پایه ی پوسته و همچنین اثرات انتقال حرارت هدایتی، جابجایی با جریان سیال اطراف و تشعشع (صورت تقریبی تشعشع) در مرزها مدل شده اند. ناهمگن بودن در مسئله حاضر ناشی از وابستگی ضریب انتقال حرارت هدایتی به دما است. بنابراین می بایست، معادله انتقال حرارت را ابتدا با استفاده از تبدیل کیرشهف به معادله ی قابل حل به کمک سری انتگرالی محدود تبدیل کرد، سپس به کمک این تبدیل، معادله دیفرانسیل با مشتقات جزیی به یک معادله دیفرانسیل معمولی مبدل می گردد. درنهایت معادله دیفرانسیل حاصل به کمک روش توابع گرین قابل حل است. در آخر با اعمال معکوس تبدیل انتگرالی محدود و معکوس تبدیل کیرشهف توزیع دمای ناهمگن به دست آید. حل حاضر بر اساس مقایسه نتایج حل تحلیلی با حل عددی به روش مرتبه دوم تفاضلات محدود اعتبار سنجی شده است. مفروضات این مسئله به گونه ای انتخاب گردیده که قابلیت حل حاضر برای رفع مشکلات صنعتی در زمینه ی تولید مخازن تحت فشار مخروطی کامپوزیتی مشخص گردد.

    کلیدواژگان: حل تحلیلی، پوسته مخروطی کامپوزیتی، انتقال حرارت ناهمگن، تبدیل انتگرالی محدود، توابع گرین
  • سید علیرضا ذوالفقاری*، حانیه بیجاری صفحه 16

    در سال های اخیر، محققان زیادی به دنبال ارایه پیش بینی صحیحی از احساس حرارتی افراد در شرایط محیطی مختلف بوده اند. به این منظور بدن به صورت های مختلفی مدل سازی شده است. این مدل ها شاخص هایی را برای ارزیابی احساس حرارتی بر مبنای دمای قسمت های مختلف بدن ارایه می دهند. در تمامی مدل های ارایه شده تاکنون جزییات نحوه ی مدل سازی فرآیند انتقال حرارت موردتوجه قرار نگرفته است؛ ولی ازآنجایی که بافت های زنده دارای ساختاری پیچیده و ناهمگن می باشند، توصیف نحوه ی انتقال حرارت در این گونه بافت ها به کمک مبانی انتقال حرارت غیر فوریه ای حایز اهمیت به نظر می رسد. در مدل مورد استفاده در این تحقیق، توزیع دما در محل حسگرهای حرارتی پوست به کمک معادله انتقال حرارت غیر فوریه ای به دست می آید، سپس شاخص احساس حرارتی با استفاده از دما و مشتق آن در محل حسگرها مطابق با استاندارد آسایش حرارتی با کمک اعدادی در بازه 5+ تا 5- بیان می شود. شاخص ارزیابی آسایش حرارتی با نتایج تجربی و تحلیلی مختلف در شرایط پایا و گذرا مورد اعتبار سنجی قرار گرفت و در هر دو شرایط گذرا و پایا نتایج خوبی حاصل شد. نتایج نشان می دهد که شاخص جدید می تواند در موارد پایا با دقت 32/0 واحد و در موارد گذرا با دقت 49/0 واحد احساس حرارتی را پیش بینی نماید. از آن جاییکه شاخص جدید بر مبنای مفاهیم انتقال حرارت غیر فوریه ای بیان شده می تواند پیش بینی صحیحی از احساس حرارتی در شرایط تغییر دمای ناگهانی یا تغییرات نقطه ای و پالسی همانند کاربردهای لیزر در درمان بافت های زنده داشته باشد

    کلیدواژگان: مدل آسایش حرارتی، حسگرهای بدن، شاخص پاسخ حرارتی، انتقال حرارت غیر فوریه ای
  • علی اکبر عباسیان آرانی*، علی عارف منش، آرمین امامی فر صفحه 17

    در این تحقیق، رفتار حرارتی بافت زنده در فرایند گرمادرمانی بوسیله منبع گرمایی الکترومغناطیسی مورد مطالعه قرار می گیرد. اگرچه معادله انتقال حرارت فوریه و غیر فوریه در بافت زنده تحت شرایط مرزی مختلف مطالعه شده است؛ اما، مطالعه بافت چندلایه با در نظر گرفتن اثرات غیرفوریه ای خصوصا به شکل تحلیلی و نیمه تحلیلی کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در پژوهش حاضر با استفاده از روش نیمه تحلیلی باقی مانده های وزنی گلرکین، معادلات انتقال حرارت غیرفوریه-ای تاخیر فاز دوگانه در بافت زنده چندلایه به همراه تومور حل شده است. نتایج نشان می دهد که چندلایه در نظر گرفتن بافت به همراه خواص مختص هر لایه، تاثیر به سزایی در توزیع دمای درون بافت خواهد داشت به طوریکه این اختلاف دما پس از گدشت 1800 ثانیه به 2 درجه سانتیگراد می رسد. همچنین، تاثیر عدد ورنوت بر توزیع دمای بافت نشان می دهد که با افزایش زمان آسایش شار، سرعت سیگنال دمایی کاهش می یابد و در نتیجه آن دمای تومور کاهش خواهد یافت. بررسی پارامترهایی مانند دمای سطح پوست و میزان پرفیوژن خون نشان می دهد که خنک کاری بیشتر دمای سطح پوست در طول فرایند گرمادرمانی موجب انتقال نقطه بیشینه دما به عمق بیشتری از بافت می گردد. همچنین کاهش پرفیوژن خون که در تومورهای هیپوکسی اتفاق می افتد موجب افزایش دما در تومور حین فرایند گرمادرمانی می گردد.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت غیر فوریه ای، روش باقی مانده های وزنی گلرکین، بافت چند لایه، گرمادرمانی
  • سید عبدالمهدی هاشمی*، محمد استاجلو، سروش صدری پور صفحه 18

    با برآورد سهم مکانیزم های مختلف انتقال حرارت در پخت نان های مختلف می توان راهکارهایی برای بهبود کیفیت نان و کاهش مصرف انرژی ارایه نمود. در این مطالعه، با انجام آزمایش و اندازه گیری، روابط تحلیلی و محاسبات ریاضی، سهم مکانیزم های مختلف انتقال حرارت در پخت نان های مختلف سنتی مسطح دست پز (سنگک، بربری و تافتون) تعیین می شود و سپس با توجه به نتایج، برای تنورهای مربوطه برآورد بهینه سازی انجام می شود. این بهنه سازی شامل اصلاح هندسه تنور، کنترل سهم هوای اضافی، بهبود خواص ترموفیزیکی کف تنور و خواص تشعشعی دیواره ها و سقف تنور می شود. هدف بهینه سازی در مطالعه حاضر ابتدا بهبود کیفیت نان (با کنترل پخت یکنواخت تمام قسمت های نان) و سپس کاهش مصرف انرژی (با کاهش زمان مناسب پخت نان) است. نتایج نشان داد که در نانوایی های سنگک و بربری سهم مکانیزم انتقال حرارت جابه جایی (طبیعی و اجباری) در مقایسه با مکانیزم های هدایت و تشعشع حرارتی قابل صرف نظر است. نتایج بهینه سازی ضریب های نفوذ حرارتی و صدور دیواره های تنور نشان داد که می توان مصرف سوخت نانوایی های سنگک، بربری و تافتون را به ترتیب در حدود 26%، 28% و 8% کاهش داد. همچنین در شرایط بهینه برای تمامی نانوایی ها، کاهش درصد هوای اضافی از مقادیر موجود تا 10% منجر به کاهش بیش از 90% از تلفات هوای اضافی شد.

    کلیدواژگان: مطالعه تجربی و تحلیلی، نان مسطح، انتقال حرارت، بهینه سازی، کاهش مصرف سوخت
|
  • Mohsen Kashi Parpinchi, Alireza Sadeghi, Mansour Khanaki, Seyed Abbas Sadatsakak * Page 1

    Natural gas liquefaction processes require a lot of investment and operation costs and are part of the energy consuming industries. In this research, parameters such as refrigerant component, inlet and outlet pressure to compressors were optimized in dual mixed refrigerant system to reduce operating costs. The optimized system was then evaluated by exergy to obtain the amount of exergy loss in various components of the system, , Exergy efficiency of the entire cycle was obtained 41/63%, finding illustrate the highest exergy losses were in compressors, heat exchangers, after coolers and throttle valves, respectively. The reason is the high exergy loss in the compressors due to their low polytrophic efficiency. In the analysis of exergy it was found that the exergy loss in the main cycle heat exchanger is 4% higher than that of the pre-cooling cycle heat exchanger, reason is the high temperature difference in the input and output of the currents in the converter. Choosing the right heat exchanger can help reduce investment costs. For this purpose, analysis of the effect of the size of the heat exchanger on the specific power consumption was carried out, results showed that changes in the size of the heat exchanger near the optimum point on the power consumption of the cycle are low and increases with the distance from the optimum point of this effect. However, the main cycle curve will have a greater impact on the power consumption of the cycle due to its lower slope.

    Keywords: Dual mixed refrigerant process, Liquefaction of natural gas, Exergy, optimization
  • Omid Mahdavi Keshavar, Ali Jafarian *, Saber Deldar Page 2

    Heat Recovery Steam Generators (HRSGs) as a vital part of cogeneration plants play a fundamental role in energy recovery processes. Recovering of combustion products heat from a gas turbine is done by the HRSGs. In energy systems, sudden changes due to upstream and downstream cycles, affect important parameters of the HRSG, such as wall temperature of risers and steam drum pressure as well as its performance. According to a necessity of accurate analysis of HRSG's parameters variation rate to take a decision on HRSG processes such as start-up and shut-down, the present study aims to investigate the transient behavior of HRSG using dynamic simulation. In this respect, a one-dimensional (nodal) model of evaporator natural circulation loop along with HRSG’s drum and heat transfer models are considered for simulation. Transient study scenarios include changes in the input heat to tube banks due to change in gas turbine load (upstream cycle), feedwater flow rate and steam demand of downstream cycle. A computer code has been developed to solve governing equations of a one-dimensional model and to demonstrate the response of HRSG’s key parameters to different scenarios. Dynamic simulation results showed that a 5% increase in heat input to risers leads to an increase of 15% of the drum pressure as well as an increase of about 10 degrees of the tubes wall temperature. In addition, an increase of 20% in the heat input to HRSG due to the change in gas turbine load would increase wall temperature of tubes by 35 degrees.

    Keywords: Cogeneration, Natural Circulation Heat Recovery Steam Generator, Transient behavior, One-Dimensional Model, Steam Generation
  • Seyed Mojtaba Varedi Kulaee *, Masood Abdolmohammadi, Habib Ahmadi, Mostafa Nazari Page 3

    Nowadays, with regard to the reduction of fossil fuels and the management of their use, wind power is now rising as one of the most efficient renewable energy sources. Moreover, wind farms, which include sets of turbines in a vast farm, have become more developed and their designs and optimizations have risen recently. In this paper, the wind turbines are located in the wind farm and the effects of their positions and arrangements on the production power of the whole system are investigated. For this purpose, a square farm is considered and, having information on how the winds and wind speeds in each case (based on the Weibull distribution function), will extract the optimum location of wind turbines in the farm using optimization algorithms. The main goal of this research is to increase the total amount of power extracted from the wind farm based on the changes in the locations and arrangements of the turbines. This optimization problem is subjected to some constraints, such as the maximum number of turbines in the farm, the minimum distance between turbines and the overall size of the farm. To solve this optimization problem, the GA and PSO algorithms are used and the results of these methods are compared. The results of this study indicate that the power produced from all the turbines located in the wind farm has increased compared to previous works.

    Keywords: Wind farm, optimization, Turbine, GA, PSO
  • Malihe Karami, Faramarz Sarhaddi *, Fatemeh Sobhnamayan Page 4

    In the present research, the performance evaluation of a building heating system equipped to underground storage tank heat pump and photovoltaic thermal collector is carried out. The system consists of an underground spherical tank, a photovoltaic thermal collector and a heat pump. The performance evaluation of the combined system is carried out from the energy and exergy perspective. Developing energy balance for various components of the system, the analytical relations for water temperature of auxiliary tank, solar cell temperature, absorber plate temperature and the useful heat gain of photovoltaic thermal collector are obtained. Output electrical power of photovoltaic module is calculated by the four-parameter current-voltage model. By writing the exergy balance for the various components of the system, their irreversibility is specified. There is a good agreement between the simulation results of the present study and the experimental data of the previous literature. The obtained results indicate that the energy and exergy efficiency is maximum for the collector number of 65 and mass flow rate of 0.25 kg/s. The decrease of storage tank volume causes the decrease of water temperature. The increase of 30% in the collector number causes the increase of 25% in water temperature. The highest and lowest water temperature of the tank is observed on the ground of coarse graveled and granite, respectively.

    Keywords: Energy storage, underground tank, Photovoltaic thermal collector, irreversibility
  • Ghassem Heidarinejad *, Hadi Pasdarshahri, Mohamad Safarzadeh Page 5

    In this paper , large scale pool fire behavior has been investigated with Large Eddy Simulation ( LES ) . In order to investigate the efficiency of various combustion models in fire simulation , two combustion models of EDM ( Eddy Dissipation Model ) and infinite fast chemistry in two sub - grid scale ( SGS ) model of Smagorinsky and one-equation , was evaluated. The infinite fast chemistry model have an over - prediction in reaction rate , mean velocity and flame temperatures . In addition , the EDM model , due to the use of time characteristic of turbulence and diffusion , have more accurate results in prediction of temperature field and flow behaviors . The EDM model with one - equation SGS model have better prediction for velocity field and there is a difference of about 5 - 10 % with the experimental measurements . However , the infinite fast chemistry combustion model , can better fit with the Smagorinsky SGS than one - equation SGS model.

    Keywords: Pool fire, EDM combustion model, infinite fast chemistry, Smagorinsky, one-equation sub-grid
  • Alireza Alipoor *, Kiumars Mazaheri Page 6

    In the present work, flame dynamics are extracted for lean hydrogen-air premixed combustion in a heated microchannel using numerical simulation. In order to simulate the combustion phenomenon at this scale, Navier-Stokes equations along with energy and species conservation equations are considered by formulation of a low Mach number and taking account of detail chemical kinetics. In the present work, three flame dynamics including repetitive ignition-extinction flame, steady symmetric flame and asymmetric steady flame are observed. Effects of inlet flow velocity, equivalence ratio, and channel width on the flame dynamics are investigated. Repetitive ignition-extinction flame is observed at low inlet velocities close to the lower flammability limit. By increasing the inlet flow velocity and creating a balance between the reaction time and fluid residence time in the channel, a steady symmetric flame is shown in the channel. In this situation, the maximum temperature and mass fraction of species are located on the symmetry line of the channel. By increasing the inlet flow velocity in a same channel width, the flame moves toward downstream at the symmetry line of channel and stretches near the wall.Hence, the surface of the flame front is susceptible to instability and becomes unstable due to flow perturbations. The flame dynamics maps in the small scales are presented for the hydrogen-air mixture based on three parameters of inlet flow velocity, equivalence ratio and channel width in the microchannel.

    Keywords: Small-scale combustion, Heated microchannel, Flame dynamics, numerical simulation
  • Ali Farzi *, Parvaneh Khalati Page 7

    Worldwide development of industries and increasing of energy consumption, have resulted increasing of the emission of nitrogen oxide, NOx, pollutants produced by fossil fuels in industries and internal combustion engines. Therefore, NOx emission control and its removal is very important. In this study, modeling and simulation of selective catalytic reduction (SCR) of NOx in a catalytic bed at both steady-state and dynamic conditions was performed. Results of steady-state simulation showed that because of the intense effect of temperature on NOx conversion and competition of the main reaction with the oxidation of NH3 by O2, conversion of NOx requires a catalytic filter in the range of 300-350°C . The results showed that NO conversion increases with decreasing gas hourly space velocity (GHSV) and increasing inlet NO concentration. At dynamic condition, steady-state results were used as initial conditions for dynamic simulation and the effect of changes of the effective parameters including GHSV, NO concentration, and NH3/NO ratio were investigated. Also, steady-state simulation of the process were performed using a feed-forward artificial neural network and conversion values of NOx and NH3 were estimated as a function of GHSV, reactor temperature, and NO concentration at fixed NH3/No ratio. 96 networks with different neurons and two different activation function in hidden layer were trained three times with different initial weights. The resulted optimum network showed maximum mean square of errors about 0.01 with respect to mathematical modeling results indicating high performance of neural network for predication of process performance.

    Keywords: Selective catalytic reduction of NOx, honey-comb reactor, mathematical modeling, process simulation, artificial neural network
  • Sayed Hossein Masrouri Saadat *, Mazaher Rahimi Esboee, Mehrzad Shams, Majid Ghasemi Page 8

    For conquering the crisis of the diminution of fossil fuels resources and environmental problems owing to their excessive consumption, some alternative technologies have been introduced. Among these possible choices, the fuel cell technology is a prominent candidate for a large scale and long term energy source. Between different types of fuel cells, the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) attracts greatest interest for its noticeable advantages and more over for being a “Green Energy” as it simply generates electricity by combining Oxygen and Hydrogen and producing merely water. However, the most important hindrances in the way of commercializing this technology are those associated with water and heat management in PEM fuel cells. In the present work the dynamic and droplet motion mechanisms is simulated by Volume of Fluid (VOF) two phase technique and implementing of Hoffman function as hysteresis model. In this study, the dynamic contact angle of the droplet motion is considered and the dynamic motion of the droplet is investigated in an application geometry that includes the manifolds of the gas flow distributor in the PEMFC. The effect of the manifold slopes on the discharge of liquid water droplets compare to straight manifold has also been studied. By changing the geometry of the inlet and outlet manifolds, the problem created in conventional geometry, which causes the obstruction of the channel caused by liquid water, is overcome, thus improving geometry improves water management in the channels.

    Keywords: PEM fuel cell, Water management, Two phase flow, Droplet Dynamic, Hoffman function
  • Ahmad Rezaei Sangtabi, Ali Kianifar *, Ebrahim Alizadeh, Mazaher Rahimi Esboee, Sayed Hossein Masrouri Saadat Page 9

    In a PEMFC, the proton conductivity of the membrane depends on its water content and using saturated reactants can improve the performance of the fuel cell. The heat transfer between saturated reactants and the walls causes condensation of part of the water vapor in the inlet gas. Phase change affects the distribution of gas flow among the cells in the stack. In this paper, CFD is used to study the effect of water vapor phase change on the distribution of oxygen flow in the cathode side of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack with 26 cells. For this purpose, a code is developed in OpenFOAM software and validated with experimental data for the single-phase flow distribution. Three different boundary conditions are applied to the walls of the manifold: constant temperature, free and forced heat convection. The results indicate that water generated from condensation on the lower wall of the inlet manifold enters the first cell. Also, the accumulation of water in this area reduces the flow velocity at the entrance of the first cell. The condensed water vapor on the upper wall of the inlet manifold moves to the end of the stack. Part of the water enters into the four last cells, and the other part returns to the manifold due to the vortex. Therefore, the first cell and the last four cells receive less reactant than other cells. The non-uniform flow distribution parameter increases by up to 1425% on using saturated oxygen and under forced convection conditions.

    Keywords: Two phase flow, Phase change, fuel cell stack, flow distribution, Volume fraction
  • Abolfazl Nematpour, Mohsen Sheikholeslami * Page 10

    This paper presents a numerical study of melting of nano-enhanced phase change materials (NEPCM) inside a triangular container using N-eicosane and copper particles as base material and nano particle, respectively. Nanoparticles are used in the process of heat transfer and improve the lubrication performance. Numerical studies are performed for three different Stefan number (0.05, 0.2, 0.1). To investigate the effect of nanoparticles on the heat transfer rate, various particles of copper nanoparticles have been added to the base phase change materials. A transient numerical simulation is performed to melt inside the triangular. Phase change materials in liquid and solid states were studied. The increase in the performance of the heat transfer of nanoparticles in the solid state was more than the liquid state in the laminar flow and the natural convection heat transfer. Also, the effect of entropy has been investigated. The simulation results show that the nanoparticles cause an increase in thermal conductivity of NEPCM compared to conventional PCM. Increasing thermal conductivity by reducing the latent heat increases the rate of melting of nanoparticles. The time of the melting of the phase change material has significantly decreased with increasing nanoparticles. Increasing the thermal conductivity effective in reducing the entropy production of the system is much more than the reduction of the specific heat and the heat of fusion of nano-enhanced phase change materials.

    Keywords: Nano-enhanced Phase Change Material, Phase change material, nanoparticles, Entropy, Melting
  • Ramin Kouhi Kamali *, Seyed Amirreza Hosseini Page 11

    Numerical simulation of boiling has always been a challenging problem in terms of the variety and effectiveness of two-phase models. Boiling is one of the efficient methods in high heat transfer. In boiling simulation, in addition to choosing an appropriate heat and mass transfer model, it will be important to evaluate the surfaces which boiling occurs on it. A problem of nucleate boiling of saturated liquid is numerically simulated in this investigation by use of VOF (volume of fluid) model together with the geo-reconstruction of the interface. One-dimensional Stephan problem as sucking interface problem is solved for verification the numerical solver. Two-phase change models of the Lee model and the Tanasawa model are used in order to calculate the rate of phase change and source terms. The results of nuclear boiling are investigated on the hydrophilic surface, hydrophobic surface, and the surface with contact angle 90 degrees. The results show that boiling on hydrophobic surfaces causes the detachment of larger bubbles with a larger heat transfer rate. Besides, bubble merging depending on the density of nucleation sites leads the nuclear boiling on hydrophobic surface to film boiling.

    Keywords: Nuclear boiling, numerical simulation, Surface contact angle, Phase change models, Heat, Mass Transfer
  • Morteza Bashir *, Samad Jafarmadar, Saber Yekani Motlagh, Shahram Khalilarya Page 12

    In the present study, natural convection of Al2O3–water nanofluid and nano-particles local distribution inside trapezium enclosure has been investigated using non-homogenous two-phase Buongiorno’s model. The effect of the variation of trapezium enclosure inclantion angle on heat transfere, mass and momentum has been investigated. The governing equations of the problem are momentum, energy and volume fraction of nanoparticles that are solved using the finite volume method and the SIMPLE algorithm. Diffusion and convective terms are descritized using a second-order central difference and upwind schemes. The left and right walls of cavity are kept at constant temperatures Th and Tc, respectively, while the other walls are thermally insulated. Using the finite volume method and the SIMPLE algorithm, the governing equations have been discretized. Simulations have been carried out for different inclination angle( ), Rayleigh number(102≤Ra≤104) as well as particle average volume fraction (φ) ranging from 0.01 to 0.04. Results show that at low Rayleigh number for a specific particle volume fraction, with increasing the inclination angle from zero to 45 degree, the average Nusselt number (NuAve)and heat transfer decreases 81%. On the other hand, optimum results were obtained for the inclination angle of 30 degree. The Nuselt enhancement percent was obtained 5.5 compared to the square enclosure and 6.8 compared to inclination angle of 45 degrees. Results also showed a uniform distribution for nanoparticles in high Rayleigh numbers and in enclosures with different inclination angle.

    Keywords: Trapezoidal cavity, Natural convection, Nanofluid, Thermophoresis, Buongiorno Model
  • Samira Payan *, Mehdi Pakdaman, Seyed Masoud Hoseini Sarvari, Sohila Mohammadpour Page 13

    In this paper, an optimization algorithm is proposed to simultaneously reconstruct radiation and conduction properties for thermal insulators constructed from Nanomaterial between two flat plates. The radiation problem is modeled using modified discrete ordinates method. The conduction and radiation problems are solved using the finite volume method. The inverse problem is solved using the particle swarm optimization problem. The various cases have been solved in this paper. Firstly a simple problem designs and solves. Next, a multi-stage algorithm with new objective functions is used for reconstruction of dependent-temperature properties of a nanomaterial. In the first case, constant absorption coefficient is reconstructed using the radiation intensity of boundaries, in the first stage and constant conduction-radiation parameter is reconstructed using the surface total heat flux in second stage. In the second section, the competency of the proposed multi-stage algorithm for the radiation and conduction temperature-dependent parameters is tested. In the numerical test a thermal insulator constructed from nanomaterial with 1cm thickness is used. The proposed algorithm and new objective functions are presented in this section to decrease sensitivity of Plank number and optical thickness to the measurement error.

    Keywords: Radiation-conduction issue, multi-stage optimization, separate objective functions, variable Planck number with temperature, variable absorption coefficient with temperature
  • MohammadReza Hajmohammadi *, Mohammad Ahmadian Elmi, Salman Nourazar Page 14

    In the present study, it is proposed to reduce the thermal resistance of a straight fin by embedding highly conductive routes with variant thickness into a fin. Due to economic constraints, only a limited fraction of fin's volume can be devoted to these materials. Therefore, in this research, an optimal geometric structure for the inserts is presented. The purpose of optimization is to maximize the heat transfer from the fin by increasing the degrees of the freedom-to-morph under the constraint of the fixed volume fraction of the inserts. The geometric structure of conductive materials is presented by distributing the inserts with variable thicknesses or a linear distribution. The effects of several parameters such as the aspect ratio of the fin, Biot number, the volume fraction of highly conductive materials and the thermal conductivity ratio on the optimization results are presented in details. It is shown that the increment in the number of insert branches with different thinness results in higher heat transfer. It is also indicated that the linear distribution performs the best.

    Keywords: fin, optimization, Highly conductive materials, Thermal performance, Extended surface
  • Babak Erfan Manesh, MohammadMohsen Shahmardan *, Mahmood Norouzi Page 15

    This paper presents an analytical solution for heat transfer in heterogeneous composite conical shells with temperature dependent conduction coefficients for the first time. The geometry of the shell is completely conical shaped and the fibers are winded around the laminate in the desired direction. In order to achieve the most general solution, the general boundary condition is considered at the basis of shell and the effect of heat convection resulted from flow motion around the body and different kinds of non-axisymmetric radiative heat flux at outer side of shell is modeled. Heterogeneous effect in this case is the results of the dependency in conduction heat transfer coefficient on temperature. Therefore, the heat transfer equation should first be transformed using the Kirchhoff transform to a solvable equation using integral transformation, then, the partial differential equation becomes an ordinary differential equation Fourier transformation. Finally, the transformed differential equation can be solved Green's functions. In the end, the reversal integral transformation and reversal Kirchhoff conversion are applied to obtain heterogeneous temperature distribution. Validation of the this analytical solution is performed by comparing the analytical results with the solution of second order finite different method and some applied cases are considered to investigate the capability of current solution for solving the industrial problems in the production of composite conical pressure vessels.

    Keywords: Analytical Solution, Composite conical shell, Heterogeneous heat transfer, Integral transformation, Green functions
  • Alireza Zolfaghari *, Hanieh Bijari Page 16

    In recent years, the modeling of human thermal sensation based on thermoreceptors response has attracted the attention of many researchers. However, the biological tissues does not usually follow the principles of Fourier heat transfer. So, the present research aims to develop a new predictive index for a thermal comfort model based on cutaneous thermoreceptors achieved by using non-Fourier heat transfer in biological tissue. The mentioned index is in conformity with the ASHRAE standard thermal sensation scale. The present model considers the concept of non-Fourier heat transfer to describe heat transfer in biological tissue. Since biological tissues consist of complicated and nonhomogeneous structure, it is important to describe the process of heat transfer in these tissues by non-Fourier heat transfer equation. The new index has been verified by extensive comparisons with the experimental and analytical results under steady-state and transient conditions where a good agreement was found. Results show that the new index can predict the thermal sensation with mean absolute errors of 0.32 and 0.49 under steady-state and transient conditions, respectively.

    Keywords: Thermal comfort model, cutaneous thermoreceptors, thermal response index, Non-Fourier heat transfer
  • AliAkbar Abbasian Arani *, Ali Arefmanesh, Armin Emamifar Page 17

    In this paper, the thermal behavior of a living biological tissue during electromagnetic radiation thermal therapy is investigated. While, a large number of studies devoted to the Fourier and non-Fourier heat transfer in living tissue are anavilible for different boundary condition, less analytical asnd semi-analytical works exist on the heat transfer in the multilayears tissue. In the present study, semi analytical Galerkin weighted residual method is used to solve the DPL non-Fourier heat transfer equation in the multilayer tissue with a tumor placed in. The results show that considering a multilayer tissue with temperature dependent properties for each layer is very effective on temperature distribution in the tissue, so that 2°C difference in tumor temperature after 1800 s is observed. The effect of the Vernot number on the temperature distribution shows that increasing the flux relaxation time results in reducing the temperature signal velocity and the tumor temperature. The results concerning the skin surface temperature and the blood perfusion rate indicate with lowering the surface temperature, the maximum temperature acces deeper in the tissue. Moreover, the reduction in the blood perfusion rate that accures in the hypoxy tumors results in the increase of the tumors temperatures during the thermal therapy.

    Keywords: Non-Fourier heat transfer, Galerkin weighted residual method, Multilayer tissue, Thermal therapy
  • Seyed Abdolmehdi Hashemi *, Mohammad Estajloo, Soroush Sadripour Page 18

    Accurate cognition of the portions of different mechanisms of heat transfer during the baking process is important and it can introduce useful solutions to improve quality of breads and reduce energy (fuel) consumption of oven. In this study, by experimental measurements and mathematical equations, portions of different mechanisms of heat transfer during the baking process of traditional hand-baking flatbreads are calculated. Then, based on results optimization is carried out for ovens. The optimization includes modification of geometry of oven, control of excess air, and improvement of thermo-physical and radiant properties of oven walls. The obtained results showed that in Sangak and Barbari bakeries portions of convection heat transfer mechanism (natural and forced convection) and volume radiation are negligible against of conduction and surface radiation mechanisms. The results of thermal diffusivity and emissivity optimization illustrated that fuel consumption for Sangak, Barbari and Taftun bakeries can be reduced about 26%, 28% and 8% respectively. Also in optimal conditions for all bakeries, reduction of excess air from current values to 10% is leading to reduction of more than 90% of excess air losses.

    Keywords: Mathematical, analytical study, Flatbread, heat transfer, optimization, Fuel saving