فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 1 (فروردین 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/01/31
  • تعداد عناوین: 21
|
  • علی موسوی*، رضا ایزدی صفحه 1

    چکیده مطالعه رفتار دینامیکی قطرات از اهمیت بالایی در پدیده های الکترووتینگ برخوردار است. باتوجه به کاربرد گسترده سیالات غیرنیوتنی بخصوص در کاربردهای زیستی، در مطالعه حاضر دینامیک قطرات غیرنیوتنی کاریو تحت پدیده الکترووتینگ مورد بررسی قرار گرفته است. اثرات ویسکوزیته، اندازه قطره و اختلاف پتانسیل اعمالی در نوسانات و تغییر ارتفاع قطره مشخص شده اند. شبیه سازی این پدیده به کمک روش اجزا محدود صورت گرفته و به منظور اعتبارسنجی مدل سازی انجام شده، نتایج حاصل با نتایج تجربی و عددی موجود مقایسه گردیده اند. نتایج نشان می دهند، برای سیال غیر نیوتنی مدل کاریو با افزایش لزجت دامنه نوسانات کاهش می یابد اما فرکانس ارتعاشی ثابت است همین نتیجه برای سیال نیوتنی نیز وجود دارد با این تفاوت که در سیال نیوتنی دامنه نوسانات بزرگتر و فرکانس آن نسبت به سیال غیرنیوتنی کمتر است. در سیال غیرنیوتنی کاریو با ضریب توان کوچکتر از یک رفتار سیال غیرنیوتنی مشابه سیال نیوتنی می باشد اما زمانیکه ضریب بزرگتر از یک می شود سیال غیرنیوتنی در زمان کمتری به ارتفاع نهایی خود رسیده و این تغییر ارتفاع به صورت یک مرتبه همگرا می شود. افزایش ارتفاع در سیال غیرنیوتنی منجر به افزایش دامنه ارتعاشی و کاهش مقدار فرکانس در سیال می شود که رفتاری مشابه سیال نیوتنی داشته با این تقاوت که در سیال غیرنیوتنی دامنه ارتعاشی کمتر ولی مقدار فرکانس آن بیشتر است.

    کلیدواژگان: پدیده الکترووتینگ، یانگ-لیپمان، سیال نیوتنی، سیال غیرنیوتنی، زاویه تماس
  • سید محمدحسین رضوی، محمدمحسن شاه مردان، محسن نظری*، محمود نوروزی صفحه 2

    از جمله روش های نو ظهور در افزایش بازیافت نفت، تزریق فوم به درون مخازن نفتی است. یکی از مزایای استفاده از فوم، جابجایی پایدار نفت بستر به دلیل پایین بودن تحرک نسبی فوم است. چالش پیش رو در استفاده از فوم در بازیافت نفت، حفظ پایداری آن در مواجه با فاز نفتی است. از اینرو نیاز است تا پیش از استفاده از فوم، ویژگی های فوم و رفتار متقابل آن با نفت را شناخت. لذا در این پژوهش سعی شده است تا با ساخت دو بستر مختلف آزمایشگاهی در مقیاس حباب و انباشته، عوامل موثر بر پایداری فوم بررسی، و ویسکوزیته ظاهری انواع فوم اندازه گیری شود. در مقیاس انباشته، تغیر ارتفاع انواع فوم درون ستون عمودی مطالعه شده است. در مقیاس حباب، با ساخت یک سلول هل شاو شفاف مجهز به سنسورهای فشار، سیر تحولات حباب های فوم به صورت کمی و کیفی بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که نوع ماده سورفاکتانت اثر قابل توجهی در پایداری حباب های فوم دارد؛ به طوریکه ترکیب 1:1 سورفاکتانت های اس دی اس و سی ای پی بی با ثبت بالاترین پایداری، موجب افزایش طول نیمه عمر به میزان 124% در مقیاس حباب و 33% در مقیاس انباشته شده است. در حضور فاز نفتی، اثر مخرب آن بر پایداری فوم، با کاهش ویسکوزیته و چگالی نفت، افزایش یافته است. همچنین نتایج نشان می دهد کیفیت فوم به طور مستقیم، و نرخ جریان فوم به طور معکوس بر ویسکوزیته ظاهری فوم تاثیر می گذارد؛ اگرچه با افزایش نرخ جریان فوم، وابستگی به کیفیت فوم کاهش یافته است.

    کلیدواژگان: پایداری فوم، مقیاس حباب، مقیاس انباشته، ویسکوزیته ظاهری فوم، سلول هل شاو
  • احسان وزیری، محمد سیم جو*، محمد چهاردولی صفحه 3

    انتقال مطلوب خرده های حفاری یکی از پارامترهای تاثیرگذار در سرعت عملیات حفاری می باشد. فوم به دلیل ویژگی های منحصر به فردی از جمله چگالی پایین و گرانروی بالا، می تواند منجر به کاهش مشکلات عملیاتی در مقایسه با سیالات معمول حفاری شود. توصیف دقیق رفتار فوم، تاثیر زیادی بر بهبود عملکرد این سیال و متعاقبا تمیزسازی بهتر چاه خواهد داشت. در این مقاله، انتقال خرده های حفاری توسط فوم در محیط دینامیک سیالات محاسباتی بررسی گردید. بدین منظور، جریان چندفازی خرده-سیال با استفاده از مدل اویلرین توصیف شد و ریولوژی فوم نیز توسط مدل غیرنیوتنی قانون توان ارایه گردید. همچنین تاثیر پارامترهای کیفیت و سرعت تزریق فوم، اندازه خرده ها، شرایط خروج از مرکزی لوله ها و نیز سرعت چرخش لوله های حفاری بر عملکرد فوم در تمیزسازی چاه مطالعه شد. نتایج حاصله از مدل نیز با داده های آزمایشگاهی صحت سنجی گردید. براساس نتایج، افزایش کیفیت فوم منجر به بهبود انتقال خرده های حفاری به علت افزایش ویسکوزیته فوم گردید. افزایش سرعت تزریق فوم بواسطه تخریب بستر ساکن خرده-ها سبب کاهش غلظت خرده های درون چاه شد، بطوری که افزایش سرعت تزریق فوم از 3 به 5 فوت بر ثانیه، منجر به کاهش 1.3 برابری غلظت خرده ها در چاه شد. به علاوه، افزایش سایز خرده ها باعث کاهش تمیزسازی چاه گردید. نتایج نشان داد که خارج شدن لوله ها از شرایط هم مرکزی باعث تجمع خرده ها در محیط چاه می شود. با این حال، اعمال سرعت چرخشی به لوله های حفاری سبب بهبود تمیزسازی چاه گردید، بطوری که افزایش سرعت چرخش لوله ها به میزان 40 دور بر دقیقه در حضور فوم موجب کاهش 1.8 و 1.4 برابری غلظت خرده ها در شرایط چاه هم مرکز و خارج از مرکز شد.

    کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، انتقال خرده های حفاری، فوم، چاه افقی
  • قاسم حیدری نژاد*، نسرین بزرگمهر، محمد صفرزاده صفحه 4

    بازتاب پرتو فرابنفش از دیواره های درونی، از مولفه های موثر بر افزایش کارآمدی مخازن فرابنفش، به شمار می آید. در این مطالعه، به ارزیابی میزان تاثیرگذاری مقادیر مختلفی از بازتاب دیواره های درونی مخزن، بر عملکرد مخزن فرابنفش چندلامپی، با استفاده از شاخص هایی چون دوز دریافتی ذرات و مقادیر لگاریتم غیرفعال سازی میکروارگانیزم های MS2 و باسیلوس سابتیلیس، پرداخته شده است. شبیه سازی میدان جریان با استفاده از مدل k-ω SST صورت پذیرفته است و برای محاسبات میدان تابش، مدل جهت های مجزا (DOM) در نظر گرفته شده است. مقادیر بازتاب دیواره در بازه ای از صفر (بدون بازتاب) تا صد (بازتاب ایده آل) درصد قرار داده شده است. در این گستره از بازتاب، برای دیواره ی مخزن با پوشش آلومینیوم، بازتاب 5/80 درصد و برای دیواره ی فولادی، بازتاب 1/26 درصد در نظر گرفته شد. میزان تاثیرگذاری بازتاب در دو مقدار ضریب گذردهی 7/87 و 5/78 درصد، محاسبه شد. برای ضریب گذردهی 5/78 درصد، مقدار تغییر دوز دریافتی و مقادیر لگاریتم غیرفعال سازی با افزایش درصد بازتاب، بسیار اندک بود و روند محسوس افزایش این مقادیر برای ضریب گذردهی 7/87 درصد، با افزایش درصد بازتاب، به چشم می خورد. روند تغییر نتایج مربوط به دو دبی متفاوت در ضریب گذردهی 5/78 مشابه بود. نحوه ی عملکرد مخزن در دو توان متفاوت در ضریب گذردهی 5/78 درصد بررسی شد که در توان بالاتر، میزان اثرگذاری روند افزایشی بازتاب، بیش تر مشاهده شد.

    کلیدواژگان: مخزن فرابنفش، دینامیک سیالات محاسباتی، مدل جهت های مجزا، بازتاب، میکروارگانیزم باسیلوس سابتیلیس و MS2
  • نعمت الله منصوری، مهدی مقیمی* صفحه 5

    جداکننده های کانال تغذیه باعث افزایش انتقال جرم و در نتیجه افزایش شار نفوذ حلال از دیواره غشا می گردند؛ اما از سوی مقابل باعث افزایش افت فشار در سیستم می شود. در این مطالعه هیدرودینامیک و انتقال جرم در یک کانال تغذیه پرشده با جداکننده در ماژول اسمزمعکوس با استفاده از شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی همراه شده با روش پاسخ سطحی مورد بررسی قرار گرفته است. پارامترهای ورودی شامل متوسط سرعت ورودی جریان، زاویه حمله و زاویه بین رشته ای (زاویه مش) و پارامترهای خروجی شامل افت فشار در طول کانال و شار نفوذ آب از دیواره غشا می باشد. از فرآیند طراحی آزمایش ها و روش طراحی مکعب چندبعدی لاتین برای نمونه برداری و از مدل کریگینگ برای فرآیند پاسخ سطحی استفاده گردید. همچنین از الگوریتم ژنتیک و روش غربالگری برای پیدا کردن نقاط بهینه استفاده شد. نتایج آنالیز حساسیت پارامترهای ورودی بر روی عبارت افت فشار و شار نفوذ آب نشان می دهد که سرعت ورودی تاثیرگذارترین پارامتر و زاویه حمله کمترین میزان تاثیرگذاری را دارا می باشد. هندسه بهینه با در نظر گرفتن مقادیر هر دو پارامتر خروجی -ساختار هندسی که منتج به کمترین میزان افت فشار و بیشترین مقدار شار نفوذ می گردد- به صورت زاویه حمله 74/72 درجه، زاویه بین رشته ای 19/85 درجه و متوسط سرعت ورودی 13/0 می باشد.

    کلیدواژگان: اسمزمعکوس، جداکننده کانال تغذیه، دینامیک سیالات محاسباتی، بهینه سازی، هیدرودینامیک جریان
  • تینا ابراهیمی، مهدی حمیدی*، علی رحمانی فیروزجائی، احسان خواصی صفحه 6

    حضور پایه در مسیر جریان آب باعث ایجاد یک جریان سه بعدی پیچیده در اطراف پایه می شود که می تواند منجر به آب شستگی پیرامون پایه گردد. یکی از اصول مهم در طراحی ایمن پایه های پل تخمین بیشترین عمق حفره آب شستگی می باشد. در این تحقیق مدل سازی مناسب پدیده آب شستگی پایه استوانه ای با استفاده از نرم افزار اپن فوم و داده های آزمایشگاهی بدست آمده از آزمایشگاه انجام شد. به این منظور از دو مدل برای شبیه سازی پدیده آب شستگی استفاده گردید. در این دو مدل عددی تاثیر فعال سازی کوپلینگ و تغییر مدل پسا بر پروفیل بستر، بررسی شد. مدل اول با روش غیر کوپل و مدل پسا کروی شبیه سازی شد. مدل دوم با روش کوپل شده و با تغییر مدل پسا کروی به غیر کروی انجام گردید. در مدل اول میزان خطا قابل توجه بوده است ولی در مدل دوم نتایج دارای تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی می باشد. نتایج نشان می دهد که بیشترین مقدار عمق آب شستگی تعادلی در مقطع عرضی در مدل عددی دوم و آزمایشگاهی با 6 درصد اختلاف بر هم منطبق اند. در فاز دوم به منظور بررسی پارامترهای تاثیرگذار بر کاهش آب شستگی، از سه مدل عددی که شامل پایه ساده و پایه همراه با طوقه در دو تراز مختلف می باشد، استفاده شد. نتایج نشان می دهد که طوقه در تراز 3/5 و 4 می توانند به ترتیب 49/2 درصد و 29/7 درصد از بیشترین عمق آب شستگی بکاهند. برخلاف اغلب تحقیقات پیشین، در این پژوهش مدل های عددی پایه ساده و پایه طوقه دار با رویکرد اویلری-لاگرانژی انجام گردید و به منظور مدل سازی آشفتگی از روش کا-امگا استفاده شد.

    کلیدواژگان: آب شستگی، پایه استوانه ای، مدل سازی عددی و آزمایشگاهی، اویلری-لاگرانژی، اپن فوم
  • محمدعلی اردکانی*، احسان اردکانی، علیرضا تیمورتاش صفحه 7

    پدیده ریزش گردابه ها از اجسام لبه پهن از جمله مثلث، از پدیده های مهم جریان سیالات است. با بررسی ریزش گردابه ها و جریان هوا پایین دست مدل مثلثی می توان، زاویه سنج جریان هوا، دبی سنج جریان هوا از نوع گردابه ای را طراحی نمود و یا دستگاه جریان سنج سیم داغ را در سرعت های پایین کالیبره نمود. در این مقاله توزیع سرعت جریان هوا، توزیع شدت اغتشاش های آن و ریزش گردابه های ناشی از مدل مثلث متساوی الاضلاع به ضلع 10 میلی متر بررسی شده، این تحقیقات با استفاده از تونل باد و دستگاه جریان سنج سیم داغ انجام گرفته است. نتایج نشان می دهد، زاویه جریان هوا، تاثیر شدیدی بر توزیع سرعت جریان هوا و شدت اغتشاش ها آن ندارد. ولی تغییرات عدد استروهال نسبت به زاویه جریان بالا می باشد، به طوری که عدد استروهال در زاویه °20 بیشترین مقدار را معادل23/0 و در زاویه °62 کمترین مقدار را معادل 133/0 دارا می باشد. نتایج نشان می دهد مناسب ترین زاویه برای استفاده در دبی سنج °62 و برای زاویه سنج °41 ویا °86 می باشد. برای طراحی زاویه سنج جریان هوا و یا کالیبراسیون جریان سنج سیم داغ نیاز است که علاوه بر اندازه گیری ریزش گردابه ها، سرعت جریان آزاد نیز اندازه گیری شود، در این حالت در صورتی که پراب در ناحیه 5/2= x/a و 2/5 ≥y/a≥5/2 قرار گیرد، شدت اغتشاش های کمتر از 6%، سرعت برابر سرعت جریان آزاد وگردابه ها نیز قابل اندازه گیری است.

    کلیدواژگان: ریزش گردابه ها، شدت اغتشاش ها، مدل مثلثی، جریان سنج سیم داغ، دبی سنج گردابه ای
  • محمد فرمانی، علی اکبر دهقان*، عباس افشاری صفحه 8

    در مطالعه حاضر، یکی از مهمترین مکانیزم های تولید نویز آیرودینامیکی به صورت عددی بررسی شده است. معادلات جریان ناپایای تراکم ناپذیر لایه مرزی آشفته با عدد ماخ 06/0، بر روی صفحه تخت بطول 30 سانتیمتر با استفاده از رهیافت شبیه سازی گردابه های بزرگ در نرم افزار اوپنفوم حل شده و بمنظور کاهش هزینه محاسباتی از مدل مرز ورودی لاند استفاده شده است. برای محاسبه پارامترهای موثر بر آلودگی صوتی لبه فرار (شامل طیف فشار سطح، طول مشخصه نوسانات فشار در راستای دهانه مدل و سرعت جابجایی ساختارهای گردابه ای)، مقادیر فشار در نقاط مختلفی از سطح مدل صفحه تخت، با استفاده از ابزار کاوشگر داده برداری شده است. در نهایت آلودگی صوتی لبه فرار صفحه تخت در دوردست با استفاده از مدل تحلیلی امیت- راجر پیش بینی شده است. نتایج نشان داد که روش عددی بکار رفته در این مطالعه، ضمن برخورداری از هزینه محاسباتی معقول، از توانمندی مناسبی در پیش بینی مستقیم پارامترهای موثر بر آلودگی صوتی لبه فرار برخوردار است. همچنین بررسی پیش بینی و محاسبه مستقیم پارامترهای طیفی موثر بر آلودگی صوتی لبه فرار لایه مرزی آشفته، علاوه بر استفاده در مدل های پیش بینی آلودگی صوتی دوردست، اطلاعات دقیق و مناسبی از فیزیک جریان و ابعاد و طول عمر ساختارهای گردابه ای جریان لایه مرزی آشفته، فراهم می کند.

    کلیدواژگان: تحلیل عددی، لایه مرزی آشفته، پارامترهای موثر بر آلودگی صوتی لبه فرار
  • علی فوادالدینی، فرزین داودی، سید محمد هوشمند، سید علیرضا ذوالفقاری*، حسن حسن زاده صفحه 9

    برقراری شرایط آسایش حرارتی در محیط خواب می تواند تاثیر قابل ملاحظه ای بر سلامتی انسانها داشته باشد. بنابراین سیستم تهویه مطبوع باید به نحوی تنظیم شود که برای افراد با شرایط فیزیولوژیکی متفاوت، شرایط آسایش حرارتی مطلوب فراهم شود. در تحقیق حاضر، یک سیستم تهویه متمرکز برای محیط خواب مدل سازی شده و با استفاده از مدل سه نقطه ای فردی، تاثیر جنسیت و وزن بر احساس حرارتی افراد تحلیل شده است. بر طبق نتایج، علیرغم اینکه مدل استاندارد گایج احساس حرارتی افراد را در ناحیه مطلوب (0.5TSENS=) پیش بینی می کند؛ ولی بر اساس مدل سه نقطه ای فردی، شاخص احساس حرارتی از مقدار 0.63- تا 0.66 متغیر است و در مواردی از محدوده آسایش حرارتی خارج می شود. ضمن اینکه افراد با تناسب وزنی و افراد چاق در نقاط پوشیده بدن احساس گرما دارند و افراد لاغر، به خصوص زنان در بخش های فاقد پوشش، احساس سرما می کنند. همچنین، بر اساس این نتایج زنان نسبت به مردان و افراد لاغر نسبت به افراد چاق احساس سرمای بیشتری می کنند. بر اساس نتایج به دست آمده، با تغییر شاخص توده بدنی افراد، شاخص احساس حرارتی افراد می تواند تا نزدیک به 0.36 واحد تغییر کند که این امر در ارزیابی آسایش حرارتی بسیار قابل توجه است.

    کلیدواژگان: سیستم تهویه مطبوع متمرکز، مدل سه نقطه ای آسایش حرارتی فردی، محیط خواب
  • هومن نعیمی*، فرشاد کوثری صفحه 10

    حل معادله پخش گرما در بسیاری از کاربردهای واقعی انتقال گرمای رسانشی مشتمل بر هندسه، خواص ترموفیزیکی و شرایط مرزی پیچیده به سادگی امکان پذیر نبوده و روش های عددی موجود، هریک با محدودیت‎هایی مواجه هستند. در این پژوهش روش مونت کارلوی حجم محدود برای حل معادله پخش گرمای همسانگرد با توجه به دو قابلیت ذاتی روش حجم محدود یکی ارضای بقای انرژی در هر سلول شبکه و دیگری عدم نیاز به تغییر مختصات در هندسه‎های پیچیده معرفی شده است. روش مونت کارلوی حجم محدود به عنوان یک ابزار محاسباتی آماری مبتنی بر شبیه سازی فیزیکی با قابلیت حل پخش گرما با هر میزانی از پیچیدگی، در سه مساله با سطوح دشواری متفاوت مورد استفاده قرار گرفته است. در ابتدا از یک مساله ساده برای اعتبارسنجی روش مونت کارلوی حجم محدود از طریق مقایسه نتایج با حل تحلیلی استفاده گردید. سپس عملکرد پیش بینی روش پیشنهادی در مساله‎ای با هندسه پیچیده، خواص متغیر و شرایط مرزی گوناگون مورد ارزیابی قرار گرفت. در پایان نیز به بررسی عملکرد روش مونت کارلوی حجم محدود در تخمین توزیع دما در یک جسم سه‎لایه با ضرایب رسانش متفاوت و شرط مرزی جابجایی پرداخته شد. در تمامی موارد نتایج محاسبه شده توسط روش مونت کارلوی حجم محدود انطباق بسیار خوبی با نتایج حل تحلیلی و روش دینامیک سیالات محاسباتی بروز دادند و نشان داده شد که به ازای تعداد نسبتا کمی از ذرات و با هزینه محاسباتی پایین می‎توان به دقت قابل قبولی در روش مونت کارلوی حجم محدود دست یافت.

    کلیدواژگان: مونت‎کارلو، حجم محدود، معادله پخش گرما، رسانش، مواد همسانگرد
  • سامان عباسیان، رضا مداحیان*، فرشاد کوثری صفحه 11

    توموگرافی روشی غیرتماسی است که بدون آسیب رساندن به سطح جسم ساختار داخلی آن را شناسایی می کند. یکی از روش های توموگرافی، روش توموگرافی الکتریکی است که با اعمال ولتاژ و جریان الکتریکی و استفاده از یک الگوریتم بازسازی تصویر ساختار داخلی جسم را تشخیص می دهد. با وجود مزایایی همچون سادگی و ارزان قیمت بودن، تصاویر تولیدی در این روش دارای کیفیت پایینی است که علل اصلی آن نحوه اندازه گیری در سیستم توموگرافی و الگوریتم های بازسازی تصویر هستند. در این مقاله از الگوریتم لونبرگ - مارکوارت که از روش های حل مسایل انتقال حرارت معکوس است، برای بازسازی تصویر در توموگرافی الکتریکی استفاده شده است. در این روش، از ایده بازسازی تصویر با استفاده از حل معادلات انتقال حرارت رسانشی به جای حل معادلات الکتریکی برای محاسبه توزیع رسانایی حرارتی استفاده شده است. سه مساله برای بررسی قابلیت الگوریتم در تخمین هندسه مجهول انتخاب شد و نشان داده شد که این الگوریتم قادر به شناسایی هندسه مجهول است. با انجام آنالیز حساسیت برای بررسی تاثیر اغتشاش در تخمین هندسه نشان داده شد که با افزایش میزان اغتشاش، خطای ایجاد شده در تخمین شکل هندسی افزایش می یابد اما همچنان روش به ازای میزان اغتشاش اندازه گیری 30 درصد، در تخمین هندسه موفق عمل می کند. همچنین نتایج حاصل از انتخاب ترکیب-های متفاوت از سنسورهای فعال برای اعمال شار حرارتی نشان داد که علاوه بر موثر بودن سنسورهای فعال در افزایش دقت تخمین شکل، هندسه مجهول به ازای دو مرتبه اندازه گیری قابل تخمین است.

    کلیدواژگان: توموگرافی الکتریکی، بازسازی تصویر، انتقال حرارت معکوس، الگوریتم لونبرگ - مارکوارت، تخمین پارامتر
  • سیما باجلان، رامین کوهی کمالی*، محمدحسن رحیمیان صفحه 12

    تعیین مشخصه های دینامیکی و دمایی جریان دوفازی داخل کانال و فیلم ریزان روی لوله به دلیل کاربرد گسترده در صنایع مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به تاثیر عمده نیروی کشش سطحی در جریان های دوفازی و حجم محاسبات مرتبط با دقت و پایداری محاسبه نیروهای ریزمقیاس، کاربرد روش مسکوسکوپیک لتیس بولتزمن در حال گسترش است. در این مطالعه با استفاده از روش کارآمد لی و مدل میدان فازی و همچنین روش اسکالر منفعل دمایی، جریان و انتقال حرارت فیلم مادون سرد ریزان داخل کانال بخار و اطراف لوله افقی مدلسازی شده است. شرط های مرزی بهینه برای سطوح منحنی اعمال و برای مرزهای جانبی دو حالت مختلف باز و بسته مقایسه شده است. مدلسازی در نسبت چگالی 20 و نسبت لزجت و هدایت حرارتی و سایر خواص مطابق با سیال آب برروی لوله افقی با قطر خارجی mm28.9 و دمای C 110 انجام شده است. نتایج مدلسازی به صورت کانتور و خطوط جریان، دما، و فشار ارایه و جزییات رفتاری از جمله روند پیشروی مرز مشترک دو فاز، محل جریان های چرخشی و همچنین ناسلت محلی و میانگین مشخص شده است. اعتبار روش بر اساس قانون لاپلاس، مدل همرفت دوفازی رایلی- بنارد، تغییرات لایه مرزی حرارتی با ضخامت فیلم ریزان روی لوله، تاثیر رینولدز بر ناسلت، و بقای جرم دامنه تعیین شده است. بر اساس نتایج، این روش در مدلسازی جریان و انتقال حرارت دوفازی اطراف سطوح منحنی با حفظ پایداری در نسبت پارامترهای فیزیکی ارایه شده از دقت مناسب برخوردار است.

    کلیدواژگان: لتیس- بولتزمن، فیلم ریزان، لوله افقی، جریان دوفازی، انتقال حرارت
  • مجتبی سپهرنیا*، حسین خراسانی زاده، محمدبهشاد شفیعی صفحه 13

    در این پژوهش به بررسی اثر میدان مغناطیسی بر عملکرد حرارتی، ترموهیدرولیکی و تولید انتروپی جریان آب در چاه گرمایی میکروکانالی سیلیکونی ذوزنقه ای شکل، با چهار آرایش مختلف، به صورت سه‎بعدی و عددی پرداخته شده است. تراشه الکترونیکی متصل به کف چاه گرمایی شار حرارتی یکنواخت 50کیلووات بر مترمربع تولید می کند. شبیه سازی ها برای دبی های جرمی 02/0، 03/0، 04/0 و 05/0گرم بر ثانیه و اعداد هارتمن صفر، 2، 4، 8 و 16 انجام شده است. نتایج نشان می دهد در مجموع آرایشA (ورودی به مرکز ناحیه توزیع کننده و خروجی از مرکز ناحیه جمع کننده) بهترین آرایش است. نتایج برای بهترین آرایش نشان می دهد برای همه دبی جرمی ها با افزایش عدد هارتمن از صفر تا 16، مقاومت حرارتی بین 39/4% تا 15/9%، نسبت بیشینه اختلاف دمای تراشه الکترونیکی به شار حرارتی بین 81/1% تا 91/7% و معیار ارزیابی عملکرد بین 61/81% تا 15/87% کاهش و تولید انتروپی حرارتی کل بین 13/10% تا 07/77% افزایش می یابد. هم چنین در عدد هارتمن ثابت با افزایش دبی جرمی عدد ناسلت متوسط، تولید انتروپی اصطکاکی و مغناطیسی افزایش و مقاومت حرارتی، نسبت بیشینه اختلاف دمای تراشه الکترونیکی به شار حرارتی، معیار ارزیابی عملکرد، تولید انتروپی حرارتی سیال و جامد و تولید انتروپی کل کاهش می یابد. در بهترین آرایش، بهترین عملکرد از دیدگاه حرارتی برای دبی جرمی 05/0گرم بر ثانیه و عدد هارتمن16 و از دیدگاه ترموهیدرولیکی و تولید انتروپی برای دبی جرمی 02/0گرم بر ثانیه و عدد هارتمن صفر رخ می دهد. نتایج تحقیق حاضر می تواند به عنوان یک ابزار طراحی در میکروپمپ های هیدرودینامیک مغناطیسی، قطعات میکروالکترونیک و سیستم های خنک کاری در مقیاس میکرو مورد استفاده قرار گیرد.

    کلیدواژگان: عملکرد ترموهیدرولیکی، انتروپی مغناطیسی، انتروپی اصطکاکی، انتروپی حرارتی، چاه گرمایی سیلیکونی
  • امین امامیان، امین امیری دلوئی*، سجاد کریم نژاد، حسن سجادی صفحه 14

    در این مطالعه، مساله انتقال حرارت هدایتی دوبعدی در یک مخروط توخالی ناقص ساخته شده از مواد مدرج تابعی مورد بررسی قرار گرفته و یک حل تحلیلی دقیق ارایه شده است. مواد مدرج تابعی، موادی با فرایند های تولید ویژه هستند که در آن ها خواص مختلف ترموفیزیکی می توانند به صورت تدریجی تغییر کنند. در مطالعه حاضر، خواص مواد مطابق با یک تابع توانی تغییر می کند. شرایط مرزی حرارتی نیز به صورت غیر همگن فرض شده است. از روش جدایی متغیرها برای تعیین دقیق توزیع دمای پایا در مخروط استفاده شده است. حل بدست آمده با استفاده از داده های عددی صحت سنجی شده است. برای اثبات توانایی حل حاضر، یک مثال کاربردی که در معرض شرایط مرزی ترکیبی قرار دارد، مورد مطالعه قرار گرفته است. اثرات پارامترهای موثر در توزیع دما برای هندسه حاضر مورد بررسی قرار گرفته است. نشان داده شده است که با استفاده از مواد مدرج تابعی، رفتار انعطاف پذیرتری از نظر توزیع دما دیده می شود. نتیجه این مطالعه برای روشن شدن روند طراحی و بهینه سازی هندسه های نسبتا پیچیده از مواد مدرج تابعی مفید خواهد بود. همچنین با توجه به تحلیلی بودن حل حاضر، نتایج حاصل از این مطالعه می تواند برای فهم بهتر مکانیزم های انتقال حرارت مواد مدرج تابعی مفید باشد. در مساله حاضر با افزایش مقدار m و κ، هدایت پذیری حرارتی به ترتیب به میزان حدود 8 و 2 درصد افزایش یافته که منجر به افزایش توزیع دمای مخروط خواهد شد.

    کلیدواژگان: مواد مدرج تابعی، انتقال حرارت، حل دقیق، مخروط، روش جداسازی متغیرها
  • سحر کوشکی، محمود خداداد*، سید امیر خسروی فرد صفحه 15

    در این مقاله، مسئله انتقال حرارت گذرای غیرخطی، با هر دو شرط مرزی همرفتی و تابشی، مطالعه شده است. فرمولاسیون بدون مش درون یابی نقطه ای شعاعی در ترکیب با دو روش انتگرال گیری تبدیل کارتزین و روش مربعی گاوس که از سلول پس زمینه استفاده میکند؛ برای محاسبه انتگرال های دامنه ای، به کار رفته است. ابتدا دمای حاصل از حل تحلیلی مسئله انتقال حرارت گذرا با شرایط مرزی همرفتی و تابشی در یک دامنه همگن، با نتایج حل بدون مش مقایسه و همخوانی آنها تایید شده است. سپس، مسئله انتقال حرارت گذرا با هر دو نوع شرط مرزی در نمونه های کامپوزیت لایه ای و مدرج تابعی، با استفاده از هر دو روش انتگرال گیری ذکر شده در فرمولاسیون بدون مش، حل شده است و دماهای به دست آمده با دمای حاصل از حل مسئله مشابه با نرم افزار آباکوس، مقایسه شده اند. مطابق نتایج حاصله، استفاده از روش تبدیل کارتزین در مقایسه با روش سلول پس زمینه، در مسایل با شرایط مرزی همرفتی حداقل خطا را به نصف و در مسایل با شرایط مرزی تشعشعی، خطا را تا یک چهارم کاهش میدهد. همچنین، این روش عددی یک روش بدون مش است که به هیچ مش بندی نیاز ندارد. میزان خطا با استفاده از روش سلول پس زمینه در مسایل دارای شرایط مرزی تشعشعی در مقایسه با شرایط مرزی همرفتی، بیشتر است. همین موضوع، مزیت استفاده از روش تبدیل کارتزین را در مسایل با شرط مرزی تشعشعی، که به دلیل وابسته بودن شرایط مرزی به دما، میزان غیرخطی بودن مسئله در آنها بیشتر است؛ نشان می دهد.

    کلیدواژگان: شرط مرزی همرفتی و تابشی، روش بدون مش درون یابی نقطه ای شعاعی، انتقال حرارت گذرای غیرخطی، روش انتگرال گیری تبدیل کارتزین، سلول پس زمینه
  • محمد رحمانی*، ماجده نوری زاده، علی یار جوادی صفحه 16

    استفاده از روش های اکسیداسیون پیشرفته برای تصفیه آب در سال های اخیر بسیار مورد توجه بوده است. تصفیه فتوکاتالیستی آب یک روش نوین بوده که با استفاده از نانوکاتالیست تیتانیوم دی اکسید و نور فرابنفش منجر به تجزیه آلودگی های آب می شود. با وجود پژوهش های تجربی بسیار زیاد، طراحی و مدل سازی راکتور های فتوکاتالیستی همچنان یک چالش است. یکی از راه حل های موثر برای دستیابی به این مهم استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی است. از عوامل موثر بر بازده راکتور فتوکاتالیستی، نحوه عملکرد کاتالیست است که توسط نور فرابنفش فعال می شود. در صورت عدم پخش مناسب نور فرابنفش درون راکتور، بخشی از راکتور به دلیل فعال نشدن کاتالیست کارایی نداشته و بازده کاهش می یابد. در این کار ابتدا راکتور شبیه سازی شده با استفاده از داده های آزمایشگاهی اعتبارسنجی و سپس اثر غلظت کاتالیست، توان لامپ و انعکاس دیواره بررسی گردید. طبق نتایج با افزایش انعکاس دیواره به میزان 98 درصد در غلظت 4/0 گرم بر لیتر کاتالیست، نرخ واکنش به میزان 50 درصد افزایش می یابد که به دلیل میزان جذب پایین محیط واکنش است. در غلظت 6/0 گرم بر لیتر کاتالیست افزایش نرخ واکنش تنها 5 درصد است که به دلیل میزان جذب بالای محیط و ناچیز بودن میزان تابش رسیده به دیواره های راکتور است. با افزایش توان لامپ به دو برابر، میزان نرخ واکنش در حالت دیواره با انعکاس 98 درصد در مقایسه با دیواره با انعکاس صفر، به میزان 2/12 درصد، افزایش می یابد که در مقایسه با افزایش 11 درصد در حالت معمولی توان لامپ، به معنای افزایش 2/1 درصدی است.

    کلیدواژگان: فتوراکتور، تصفیه آب، شبیه سازی، دینامیک سیالات محاسباتی، کاتالیست
  • احمد رضا شجاعی، سید مجید رهگشای*، مظاهر رحیمی اسبویی، امیرحسین پهنابی، کمال محمدی صفحه 17

    تعامل بین هیدروژن و اکسیژن در یک پیل سوختی سبب تولید آب می شود. حضور این محصول می تواند کارایی پیل سوختی را کاهش دهد. هدف از این مطالعه، معرفی نوعی سیستم کنترل سطح آب است که علاوه بر کنترل آب خروجی از جداساز، از اتلاف گازهای واکنش دهنده مانند هیدروژن و اکسیژن جلوگیری کند. بنابراین گازهای استفاده نشده به پیل سوختی باز گردانده می شوند و در نتیجه هزینه ی ناشی استفاده از گازهای واکنش دهنده برای تولید برق کاهش می یابد. در این مقاله با توجه به مشخصات پیل سوختی و محدودیت ساخت به کمی سازی عملکرد سیستم کنترلی پرداخته شده است. این سیستم شامل یک واحد مکانیکی (ونتوری) و یک واحد کنترل است و بر اساس گازهای مختلف واکنش دهنده مانند هوا و اکسیژن طراحی شده است. پارامترهای موثر در کنترل شیر تخلیه همچون طول مسیر اتصال، زاویه قرارگیری سنسور، وقفه های زمانی مورد بررسی قرار گرفته اند. بررسی طول مسیر نشان داد اگر طول مسیر زیاد باشد، تغییرات فشار حالت نوسانی گرفته و برای مدت زمان شرط فشار را برقرار نمی کند و سیستم کارایی خود را از دست می دهد. زاویه سنسور نیز تنها در ماکزیمم زمان بحرانی تاثیرگذار است به نحوی که با قرارگیری سنسور در زاویه 90 درجه به ماکزیمم مقدار می رسد. بنابر تست های انجام شده زمان بین 3/0 تا 5/0 ثانیه برای زمان بحرانی کمینه پیشنهاد می شود. در نهایت به منظور کنترل اتوماتیک سیستم کنترل سطح آب جداساز، روابطی بر اساس فشار کاری پیل سوختی ارایه شده است. در مجموع الگوریتم کنترلی عملکرد صحیحی از خود نشان داد.

    کلیدواژگان: پیل سوختی، ونتوری، سیستم کنترل سطح آب، کمی سازی، واکنش دهنده گازی
  • محرم جعفری*، محسن صادقی، سید محمد سید محمودی، مرتضی یاری صفحه 18

    فرآیند ریفرمینگ سه گانه، از نقطه نظر قابلیت استفاده مستقیم از گازهای خروجی سیستم های تولید توان در فرآیند ریفرمینگ و تولید گاز سنتز با نسبت هیدروژن به مونواکسید کربن بالا بسیار حایز اهمیت می باشد. در تحقیق حاضر، یک سیستم تولید توان بر مبنای پیل سوختی اکسید جامد و مجهز به ریفرمر خارجی پیشنهاد شده و از نظر ترمودینامیکی مطالعه شده است. به منظور انجام فرآیند ریفرمینگ خارجی متان، گازهای خروجی سیستم در ریفرمر بازخورانی شده و از بخار آب، دی اکسید کربن و اکسیژن موجود در گازهای خروجی سیستم به عنوان عوامل ریفرمینگ استفاده شده است. برای شبیه سازی ترمودنامیکی سیستم، قوانین بقای جرم و انرژی در نرم افزارEngineering Equation Software (EES) پیاده سازی شده است. تاثیر پارامتر های مهم سیستم از قبیل چگالی جریان و دمای کاری پیل سوختی اکسید جامد بر روی شاخصه های عملکردی سیستم از قبیل انواع ولتاژ و افت ولتاژ ها، دبی جرمی سوخت و آب و هوای ورودی به سیستم، توان تولیدی پیل سوختی، بازده انرژی و اگزرژی سیستم بررسی شده است. نتایج حاصل از مطالعه پارامتریک نشان می دهد که به ازای مقادیر پایین چگالی جریان و دماهای کاری بالای پیل سوختی اکسید جامد، دبی جرمی سوخت مصرفی کاهش پیدا کرده و در نتیجه بازده انرژی و اگزرژی سیستم افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: سیستم تولید توان، پیل سوختی اکسید جامد، ریفرمر خارجی، هیدروژن، تحلیل ترمودینامیکی
  • علی سعیدی*، نازیلا الهدادی صفحه 19

    با توجه به مسایل زیست محیطی، سوخت های پاک مانند هیدروژن مورد توجه هستند. از بین روش های مختلف تولید هیدروژن، برای کاهش امکان رسوب کربن طی فرآیند تولید هیدروژن، انجام فرآیند در محدوده ی دمای پایین تر، تبدیل بالای متان و همچنین از جهت مصرف انرژی، اکسیداسیون جزیی متان اهمیت دارد. در کار حاضر با شبیه سازی عددی فرآیند اکسیداسیون جزیی کاتالیستی متان در حضور کاتالیست Rh/Al2O3 در یک راکتور بستر ثابت جریان قالبی، اثرات بازگردانی درصدهای حجمی مختلف محصولات گازی در ورودی راکتور بر میزان تولید هیدروژن، تولید کربن مونواکسید و کربن دی اکسید برای دماهای مختلف (900-500 درجه سلسیوس) و نسبت های اکسیژن به متان ورودی برابر 4/0، 5/0، 6/0 و 7/0 بررسی می شود، و بر اساس آن دما و نسبت مناسب اکسیژن به متان ورودی طی فرآیند اکسیداسیون جزیی کاتالیستی متان مشخص می گردد. نتایج نشان می دهد که در تمام محدوده دمایی با افزایش درصد حجمی بازگردانی محصولات گازی، تولید هیدروژن و کربن مونواکسید افزایش و تولید کربن دی اکسید کاهش می یابد. برای بازگردانی محصولات گازی در ورودی راکتور انتخاب دمای 600 درجه سلسیوس، نسبت اکسیژن به متان ورودی برابر 5/0 مناسب است و با بازگردانی 50 درصد حجمی محصولات گازی در این نسبت اکسیژن به متان و دما، تولید هیدروژن و کربن دی اکسید حدود 30 درصد به ترتیب افزایش و کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: تولید هیدروژن، اکسیداسیون جزئی، بازگردانی محصولات، شبیه سازی عددی
  • آرش آرامش، ابراهیم جهانشاهی جواران*، مهران عامری، اقبال بنی اسد عسکری صفحه 20

    در این تحقیق، تحلیل ترمودینامیکی و ترمواکونومیکی سیستم ترکیبی مبدل حرارتی جذبی، چرخه رانکین آلی و آب شیرین کن اسمز معکوس با هدف تولید الکتریسیته و آب شیرین از منابع دما پایین انجام شده است. کلیه آنالیز ها براساس قوانین ترمودینامیک و ترمواکونومیک می باشد که توسط برنامه نویسی در نرم افزار EES انجام پذیرفته است. نتایج نشان می دهند که در سیستم مبدل حرارتی جذبی با دستیابی به ضریب عملکرد 4372/0 مقدار 7/494 کیلووات انرژی حرارتی در ابزوربر حاصل می شود که دمای آن تا 105 درجه سلسیوس افزایش می یابد. با انتقال این مقدار حرارت به سیستم رانکین آلی، مقدار 18/63 کیلووات الکتریسیته تولید می شود. با مصرف این مقدار الکتریسیته در سیستم اسمزمعکوس، 2/216 مترمکعب در روز آب شیرین تولید می گردد که هزینه این مقدار آب تولید شده 217/2 دلار به ازای هرمترمکعب به دست می آید. همچنین در تحلیل ترمواکونومیک مقدار هزینه برواحد اگزرژی تمام نقاط سیستم و هزینه الکتریسیته و آب تولید شده محاسبه شد. در ادامه مقدار هزینه تراز شده الکتریسیته در نرخ های حرارت اتلافی مختلف مورد بررسی قرار گرفته، براساس نتایج با افزایش مقدار نرخ حرارت، هزینه تراز شده الکتریسیته کاهش می یابد. همچنین تاثیر تغییرات هزینه سرمایه گذاری هر سیستم و نرخ بهره واقعی برروی هزینه آب شیرین تولید شده مورد مطالعه قرار گرفته است.

    کلیدواژگان: مبدل حرارتی جذبی، چرخه رانکین آلی، آب شیرین کن اسمز معکوس
  • امید زاهدی سیانی، محمد ضابطیان طرقی*، مهدی سجودی، منصوره موحدین صفحه 21

    در مطالعه حاضر، یک شبیه سازی عددی جهت بررسی جداسازی سلولهای خونی با استفاده از روش یکپارچه دی الکتروفورسیس-فوتوفورسیس در یک دستگاه میکروسیالی جدید ارایه شده است. در این شبیه سازی، رفتار مهاجرتی سلولهای خونی انسان تحت تابش اشعه لیزر با طول موج 532nm و در حضور جریان سیال مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی ها نشان میدهد میزان مهاجرت فوتوفورتیک سلولهای قرمز در برابر تابش اشعه لیزر از پلاکت ها و دیگر سلولهای خونی بیشتر است به گونه ای که نیروی فوتوفورتیک وارده بر سلولهای قرمز خونی چیزی در حدود 9 برابر سلولهای سفید در شعاع پرتو لیزر 50μm محاسبه شد. در این جداسازی با بهره گیری از نیروهای فوتوفورتیک، ابتدا سلولهای قرمز از پلاکت ها و سلولهای سفید جداسازی شده است و در ادامه با استفاده از برهم نهی نیروهای هیدرودینامیکی وارده از طرف سیال بر ذرات و نیروهای دی الکتروفورتیک، جداسازی پلاکت ها از سلولهای سفید در شاخه های مختلف میکروکانال انجام گرفته است. در این مطالعه، نیروهای دی الکتروفورتیک با بهره گیری از آرایه های الکترودی ایجاد شده اند، که در یک طرف میکروکانال دستگاه میکروسیالی واقع شده اند. تلفیق روش های دی الکتروفورسیس و فوتوفورسیس موجب شده است که میزان ولتاژ بیشینه به بیشینه مورد نیاز الکترودها تا حد قابل توجه 3V کاهش یابد. طرح پیش رو، علاوه بر داشتن راندمان بالای جداسازی دارای تلفات ناچیز سلولی میباشد به گونه ای که میتوان از آن به عنوان روشی موثر در بسیاری از فرایندهای تشخیصی و کاربردهای پزشکی استفاده نمود.

    کلیدواژگان: دی الکتروفورسیس، فوتوفورسیس، میکروسیالی، سلول های زیستی، میکروکانال
|
  • Ali Moosavi *, Reza Izadi Page 1

    Studying the dynamic behavior of droplets is very important in electrowetting phenomena. Due to the widespread application of non-Newtonian fluids, especially in bio applications, in the present study, the dynamics of non-Newtonian Carreau droplets under the electrowetting phenomenon has been investigated. The effects of the viscosity, the size and the applied voltage on the oscillations and the change in the height of the droplets have been inspected. The simulations have been conducted using the Finite Element Method (FEM) and in order to validate the method, the results have been compared with the available experimental and numerical results. The results indicate that by increasing the viscosity the amplitude of the oscillations increases but the frequency remains constant. These are similar to those of the Newtonian fluids with this difference that in Newtonian fluids the amplitude is larger but the frequency is smaller. Also, for a Carreau fluids when the power index is smaller than one the results are similar to the Newtonian fluids but when the power index is larger than one the droplet reaches to its final height faster and without any fluctuation. Increasing the height in the non-Newtonian fluid leads to an increase in the amplitude of the oscillations and decreases the amount of frequency in the fluid, which is similar to the Newtonian fluid, with the difference that in the non-Newtonian fluid the amplitude is less but the frequency is higher.

    Keywords: Electrowetting on Dielectric, Young-Lipmmann, Newtonian Fluid, Non-Newtonian fluid, contact angle
  • S.M.H. Razavi, M.M. Shahmardan, Mohsen Nazari *, Mahmood Norouzi Page 2

    Injection of foam into oil reservoir, is a new method for enhanced oil recovery (EOR). One of the advantages of using foam is the stable displacement of porous submersible oil due to its relative low mobility. The challenge for foam application in the oil recovery is to maintain its stability when it comes to contact with the oil phase. Therefore, before using foam in the EOR process, its properties and interactions with the oil must be characterized. in this research, by creating two different laboratory setups at the bubble and bulk scale, the foam stability contributing factors and the viscosity of different types of foam were measured. Changes of different type of foam’s height in the vertical column were studied at the bulk scale. Ate the bubble scale, by building a transparent hele-shaw cell that is equipped with pressure sensors, the evolution of the foam were examined quantitatively and qualitatively. The Results showed that the surfactant type had a significant effect on the stability of foam bubbles; so that the combination of 1:1 SDS and CAPB with the highest stability, increased foam half life time by 124% at the bubble scale and by %33 at the bulk scale. in the presence of the oil phase its destructive effect on foam stability, increased with the reduction of the viscosity and the density of the oil agent. Also, the results showed that the foam quality would directly affect the viscosity of the foam, while its flow rate had an inverse effect.

    Keywords: Foam stability, Bubble scale, Bulk scale, Foam apparent viscosity, Hele-Shaw cell
  • Ehsan Vaziri, Mohammad Simjoo *, Mohammad Chahardowli Page 3

    Efficient drilling cuttings transport is one of the most important parameters affecting drilling rate of wells. Foam has a great potential to reduce drilling problems compared to conventional well drilling fluids due to its unique properties such as low density and high viscosity. Proper description of foam behavior enables us to improve the performance of foam for hole- cleaning. In this paper, cuttings transport using foam was studied using a computational fluid dynamics approach. In this study the Eulerian multi-phase model was used to describe cuttings-fluid mixture flow. Foam rheology was expressed by the non-Newtonian power law model. Effects of foam quality and injection velocity, cuttings size, pipe eccentricity and rotational speed of drillpipes were studied. Modeling results were also compared with experimental data. Results showed that increase of foam quality improved hole-cleaning operation mainly due to the enhanced foam viscosity. Increase of foam injection velocity led to a reduction in in-situ cuttings concentration. This was due to the foam capability to destruct stationary cuttings bed. Accordingly, as foam injection velocity increased from 3 to 5 ft/s, cuttings concentration decreased by 1.3 times. Also, an increase in the size of the cuttings caused a poor well cleaning. It was found that pipe eccentricity resulted in the accumulation of cuttings in the wellbore annulus. But, increase of the drillpipe rotational speed provided a better hole-cleaning, so that by increasing the rotational speed to 40 RPM, cuttings concentration decreased by 1.8 and 1.4 times in concentric and eccentric pipe, respectively.

    Keywords: CFD, Drilling Cuttings Transport, Foam, Horizontal Well
  • Ghassem Heidarinejad *, Nasrin Bozorgmehr, Mohamad Safarzadeh Page 4

    The inner walls reflection of ultraviolet radiation is one of the effective components on the ultraviolet reactor efficiency. In this study, the effect of inner walls reflection of the reactor on the performance of the multi-lamp ultraviolet reactor has been evaluated using of UV dose distribution and log inactivation values of MS2 and Bacillus subtilis microorganisms. The simulation of the flow field is performed using the SSTk-ω model and discrete ordinate model (DOM) for radiation is considered. The wall reflectivity are in the range of zero (no reflection) to 100 (ideal reflection) percent. In this range of reflections, for the reactor walls with aluminum cover, reflectivity of 80.5% and 26.1% for the steel wall and UV transmittance (UVT) of 87.7 and 78.5% was calculated. For UV transmittance (UVT) of 78.5%, the received dose and log inactivation change with increasing reflectivity was very low but for UVT of 87.7%, there is a tangible increase in these values. The results variation procedure for two different flow rate was similar in UVT of 78.5%. The performance of the reactor was investigated in two different lamp powers and UVT of 78.5%, which in higher power, the reflectivity effect has become more apparent.

    Keywords: Ultraviolet reactor, computational fluid dynamics, Discrete Ordinate Model (DOM), reflection, Bacillus subtilis, MS2 microorganism
  • Nematollah Mansouri, Mahdi Moghimi * Page 5

    The feed channel spacers cause the membrane plates to be separated. These mesh spacers increase the pressure drop in the channel and, in contrast, improve the mass transfer process. In this study, investigate hydrodynamics and mass transfer in the spacer-filled channel in the Reverse osmosis module by using the simulation of computational fluid dynamics coupled with response surface method. Input parameters include the average inlet velocity, the attack angle, the mesh angle, and the output parameters include the pressure drop over the computational domain and the water flux across the membrane walls. The Latin Hypercube Sampling Design method was used to sample the input parameters and the Kriging model has been used for response surface model. Also, genetic algorithm and Screening was used to determine the optimal output parameters. The sensitivity analysis of the input parameters on the output parameters indicates that the average inlet velocity and the attack angle are the most and the least influential parameters respectively. The optimum configuration taking all the operational parameters into account was stood up at the attack angle of 72.74 degrees, the mesh angle of 85.19 degrees, and the inlet velocity of 0.13 m/s.

    Keywords: Reverse osmosis, Feed spacers, computational fluid dynamics, optimization, Hydrodynamics
  • Tina Ebrahimi, Mehdi Hamidi *, Ali Rahmani Firoozjaiee, Ehsan Khavasi Page 6

    The placement of a pier causes a three-dimensional complex flow pattern around the pier, which lead to scouring hole around the pier. In this research, modeling of scouring around piers was performed both experimentally and numerically using pimpleLPTdensFoam solver in OpenFOAM. In the first section, two different scenarios were used to simulate the scouring process. In the two numerical models, the effect of phase coupling and drag models on the scoured bed was investigated. One-way coupling with sphere drag model was implemented in the first scenario and four-way coupling with nonsphere drag model in the second one. According to the results, the first model was not satisfying, but the result of the second model was in good agreement with experimental results. The maximum depth of scour at the cross-section in numerical and experimental results was equal (6 percent error). All the simulations were done using the Euler-Lagrange approach and k-w turbulence model to simulate turbulent flow. In the second section of this research, to investigate effective parameters on the reduction of scour, three numerical models including a simple cylindrical pier and two more models using pier with collar were simulated. In order to study the effect of a collar on the reduction of scouring, the simple cylinder without a collar and then with the presence of collar at two different levels were performed. The results show that using collar in level 3.5 and level 4 may respectively lead to 49.2 and 29.7 percent reduction in maximum depth of scour.

    Keywords: Scouring, Cylindrical Piers, Numerical, Experimental Investigation, Euler-Lagrange, OpenFOAM
  • MohammadAli Ardakani *, Ehsan Ardekani, Alireza Teymourtash Page 7

    Study of vortex shedding and flow downstream of a triangular bluff body can be used to design a device for measuring the flow angle, a vortex flowmeter or to calibrate the hot-wire anemometer at low velocities. In this paper, flow velocity, turbulence intensity and vortex shedding from a 10 mm triangular bluff body have been investigated experimentally using hot-wire anemometer. Results show that flow angle has little effect on flow velocity distribution and turbulence intensity. However, variations of Strouhal number (St) with respect to the flow angle is large, so that Strouhal number at flow angle of 20 °has the maximum value of 0.23 and at angle of 62 ° , it has the minimum value of 0.133. To design the flow angle measuring device or calibration of hot-wire anemometer, it is necessary to measure flow velocity in addition to the measurement of vortex shedding. Under this condition, if the probe is placed in the region: x/a=2.5 and 2.5

    Keywords: vortex shedding, Turbulence intensity, Triangular bluff body, Hot-wire anemometer, Vortex flowmeter
  • Mohammad Farmani, AliAkbar Dehghan *, Abbas Afshari Page 8

    In the present study, one of the most important mechanisms of aerodynamic noise generation is investigated numerically. Large-eddy simulation approach used to solve the unsteady flow equations of turbulent boundary layer with Mach number 0.06 over a flat plate of length 30-cm. Lund's inflow boundary model used to reduce the computational cost. To calculate the parameters affecting trailing edge noise (include surface pressure spectra, spanwise length scale of the surface pressure fluctuations and eddy convection velocity), data acquisition of SPFs values in different points over the flat plate surface done using the probe tool in OpenFOAM software. Finally, the farfield noise predicted using analytical Amiet-Roger model. The results showed that the numerical solution method used in this study, while having reasonable computational cost, has a good ability to predict the effective parameters on the trailing edge noise. In addition, studying the spectral parameters affecting the turbulent boundary layer trailing edge noise showed that prediction and direct estimation of these parameters, while are using in far-field noise prediction models, provide accurate and proper information on physics of the flow and dimensions and life time of turbulent boundary layer vortex structures.

    Keywords: Numerical Analysis, Turbulent boundary layer, Parameters affecting trailing edge noise
  • Ali Foadaddini, Farzin Davoodi, Seyed Mohammad Hooshmand, Alireza Zolfaghari *, Hasan Hassanzadeh Page 9

    Providing thermal comfort conditions in sleeping environment can significantly affect the occupants’ health. So, the parameters of the air conditioning system must be properly set to satisfy thermal comfort criteria for persons with different physiological characteristics. In the present study, a task/ambient air conditioning (TAC) system is modeled and the effect of gender and body mass index on thermal sensation has been analysed by individualized three-node model. Results show that although Gagge standard model predict pleasant thermal comfort condition, thermal sensation index varies from -0.63 to 0.66 based on individualized three-node model, and in some cases exceed the thermal comfort region. Moreover, healthy and fat people have a warm sensation in clothed parts of the body and thin people, especially women, have a cold sensation in bare parts of the body. Also, based on the results women compared with men, and thin people compared with obese people feel colder. By changing BMI, thermal sensation index can change up to 0.36, which is very significant in the assessment of thermal comfort.

    Keywords: TAC systems, Individual three-node thermal comfort model, sleeping environment
  • Hooman Naeimi *, Farshad Kowsari Page 10

    The solution of the heat diffusion equation in most practical applications involving complex geometry, thermophysical properties, and boundary conditions is not simply possible and there are some limitations for available numerical solutions. In this research, the finite volume Monte Carlo method was proposed for the solution of the isotropic heat diffusion equation due to two intrinsic capability of the finite volume method; first, each cell is energy conserved and second, the grid transformation is not necessary for complex geometries. The Monte Carlo method as a statistical approach based on physical simulation of the problem capable to solve heat diffusion equation with any degree of complexity was utilized in three different problems. First, a simple problem was investigated for validation of the method by comparing results with the analytical solution. Second, the prediction performance of the proposed method was evaluated in a problem with complex geometry, varying properties, and boundary conditions. Finally, the performance of the finite volume Monte Carlo method was investigated in estimating the temperature distribution of a three-layer body with different thermal conductivities and convection boundary condition. In all of the considered test cases, the predicted results were in good agreement with analytical and CFD solutions. It was also indicated that for a relatively small number of particles, it is possible to achieve acceptable accuracy with a low computational cost.

    Keywords: Monte Carlo, Finite Volume, diffusion heat equation, Conduction, isotropic material
  • Saman Abbasian, Reza Maddahian *, Farshad Kosari Page 11

    Tomography is a non-invasive method that is used to visualize internal structure of an object. Electrical tomography is a method that recognizes the geometry of an object by applying voltage or current and using an image reconstruction algorithm. In spite of some advantages such as simplicity and low cost, reconstructed images by this method have low resolution and low quality. In addition to the system hardware, the reconstruction algorithms also reduces the quality of images. In this research, Levenberg – Marquardt Algorithm which is used to solve inverse heat transfer problems, is employed for image reconstruction in electrical tomography. In this technique, image reconstruction is perfomed by changing the thermal conductivity of material. Three different test cases are selected to investigate the capability of proposed algorithm in estimation of the unknown geometry and the results show that the Levenberg – Marquardt algorithm has ability to estimate unknown shapes. Sensitivity analysis is also performed in order to examine the effect of noise in detection of the unknown geometry. The results showe that with increasing the noise, the error created in the estimation of shape increases, but the estimated shape has good agreement with original geometry. Also, results of choosing different combinations of active sensors for applying thermal flux show that in addition to effectiveness of active sensors in increasing the accuracy of shape estimation, the unknown geometry can be estimated with two measurements.

    Keywords: Electrical tomography, Image reconstruction, Inverse Heat Transfer, Levenberg – Marquardt algorithm, Parameter estimation
  • Sima Bajalan, Ramin Kouhi Kamali *, MohammadHasan Rahimian Page 12

    Determination of multiphase flow dynamics and thermal behavior of falling flow in a channel and around a cylinder are of importance due to its wide application in various industries. The small-scale surface tension effect plays a major role in multiphase flow behavior. So, based on simulation efficiency, precision, and stability, the mesoscopic Lattice Boltzmann method superiority has caused its broadening application. In the current study, the thermal-hydraulic behavior of subcooled falling flow in a vertical channel and around a single horizontal tube is simulated by using Lee method and Phase-Filed model, and thermal Passive Scalar model. The modified Boundary conditions for curved tube and two different boundary conditions for side boundaries are investigated. Simulations have been done for density ratio 20 and relevant viscosity and conductivity ratios of water. The film of liquid falls on a tube with a temperature of 110˚C and the outside diameter of 28.9mm. The results including contours and streamlines of the flow field, temperature, and pressure contours are presented and detailed understanding about the movement of the three-phase contact line, circulating flow and local and average Nusselt number are determined. The film thickness, thermal boundary layer variation by the film thickness, Reynold number effect on Nusselt number and mass conservation are investigated as verification. The results have shown good consistency and high effectiveness in the simulation of multiphase gas-liquid flows in the presence of a circular obstacle, and for viscosity and thermal diffusivity ratios of water.

    Keywords: Lattice-Boltzmann, Falling Film, Horizontal Tube, two-phase flow, heat transfer
  • Mojtaba Sepehrnia *, Hossein Khorasanizadeh, MohammadBehshad Shafiei Page 13

    In this numerical three dimensional study, the effects of uniform magnetic field on thermal and thermo-hydraulic performance and entropy generation of water flow through a trapezoidal silicon microchannel heat sink, with four different inlet/outlet configurations, have been investigated in three dimensions. An electronic chip embedded on the base plate of heat sink generates uniform heat flux of 50kW/m2. Simulations have been performed for mass flow rates of 0.02, 0.03, 0.04 and 0.05g/sec and Hartmann numbers of 0, 2, 4, 8 and 16. The results show that, in overall the best configuration is the A-type arrangement, in which the flow enters to the center of the distributing chamber and exits from the center of collecting chamber. For this arrangment and a constant mass flow rate, with increasing Hartmann number from 0 to 16, thermal resistance reduces between 4.39% and 9.15%, theta between 1.81% and 7.91% and performance evaluation criterion between 81.61% and 87.15%, but total entropy generation increases between 10.13% and 77.07%. Also for a constant Hartmann number, with increasing the mass flow rate, average Nusselt number, frictional entropy generation and magnetic entropy generation increase and thermal resistance, theta, performance evaluation criterion, solid and fluid thermal entropy generations and total entropy generation decrease. In the best arrangement, the best thermal performance occurs in the mass flow rate of 0.05g/sec and Hartmann number of 16 and the best thermo-hydraulic and entropy generation performances occur in the mass flow rate of 0.02g/sec and Hartmann number of zero.

    Keywords: Thermo-hydraulic performance, Magnetic entropy, Frictional entropy, Thermal entropy, Silicon heat sink
  • Amin Emamian, Amin Amiri Delouei *, Sajjad Karimnejad, Hasan Sajadi Page 14

    In the current study, the problem of two-dimensional heat conduction in a truncated hollow cone made of functionally graded materials is referred and an exact analytical solution is presented. Functionally graded materials are materials with special production processes in which different thermophysical properties can be gradually changed. In the present study, the properties of a material are modified in accordance with a power function. The thermal boundary conditions are also assumed to be non-homogeneous. The separation of variable (SOV) method is implemented to acquire the exact steady-state temperature distribution. The obtained solution is adequately verified using numerical data. To further demonstrate the ability of the solution, an illustrative case which is exposed to a combination of boundary conditions is studied. In particular, the influences of effective parameters on the temperature distribution are investigated for the current geometry. It is shown that by using functionally graded material more flexible attitudes in terms of temperature distribution are seen. The outcome of this study would be helpful to shed light on the process of designing and optimizing relatively complex geometries. Also, considering the analyticity of the present solution, the results of this study can be useful for a better understanding of the heat transfer mechanisms of functionally graded materials. In the present case, increasing the amount of m and κ, the thermal conductivity increased by about 8 and 2 percent respectively, which would increase the distribution of cone temperature.

    Keywords: Functionally graded materials, heat transfer, Exact Solution, Cone, Separation of variable method
  • Sahar Kooshki, Mahmoud Khodadad *, Seyed Amir Khosravifard Page 15

    In this article, the transient heat transfer problem with both convection and radiation boundary conditions is studied. The meshless Radial Point Interpolation Method (RPIM) is implemented in this numerical study. Also, two integration methods, the Cartesian Transformation Method (CTM) and the Gaussian Quadratuer (GQ) method which uses background cells, are employed for domain integral calculations. First the problem of transient heat transfer in a homogenouse domain with both convection and radiation boundary conditions is considered. The temperature distribution results of the meshless domain using the proposed method, are compared with the analytical temperature results in this problem and excellent agreement is obtained. Then, to verify the better accuracy of results obtained from CTM, compared to those obtained from conventional background cell method, a number of example problems in a layered composite and a Functionally Graded (FG) sample with both convection and radiation boundary conditions are solved and the temperature results are compared with those of ABAQUS software. Consequently, using CTM in compare with using background cell method in convection boundary conditions reduce error to half and in radiation boundary conditions reduce error to one quarter. This numerical method is a meshless method which doesn’t need any background mesh. Moreover, the amount of error using the background cell method in problems with radiation boundary conditions is more than thoes with convection boundary conditions. This shows the advantage of using CTM in problems with radiation boundary conditions which have a higher degree of nonlinearity, due to the temperature dependent boundary conditions.

    Keywords: Convection, radiation boundary conditions, meshless radial point interpolation method, nonlinear transient heat transfer, Cartesian transformation method, background cell
  • Mohammad Rahmani *, Majede Nourizade, Aliyar Javadi Page 16

    Advanced oxidation processes (AOPs) for wastewater treatment have received a great deal of attention in recent years. Photocatalytic oxidation processes decompose water pollutants using nano-structured photocatalyst materials, titanium dioxide (TiO2) and ultraviolet irradiation. Although there is extensive experimental research in this field, designing a photoreactor for water treatment is still a challenge. An effectual approach to this issue is the application of computational fluid dynamics. Performance of the catalyst, which is activated by UV irradiation, is one of the important factors affecting photoreactor efficiency. In case of poor UV radiation distribution inside the reactor, the reactor performance decreases due to catalyst inactivity. In this study, a computational fluid dynamics model for the simulation of radiation distribution inside a photoreactor was developed and evaluated against experimental data. Simulations were then carried on different catalyst loading, lamp power and wall reflectivity. The performed analysis showed that at low concentration of catalyst (0.4 g/L), the reaction rate increases up to 50% by increasing the wall reflectivity to 98%, this is due to small absorption coefficient of the medium. At high catalyst concentration (0.6 g/L), the increase in reaction rate is only 5% because the radiation amount that reaches the reactor walls is negligible. At the lamp power of 2P and P, the reaction rate increases up to 12.2 % and 11% respectively which means only 1% increase in reaction rate while increasing lamp power.

    Keywords: Photocatalytic degradation, computational fluid dynamics, Radiation distribution
  • Ahmadreza Shojaei, Seyyed Majid Rahgoshay *, Mazaher Rahimi Esboee, Amirhossein Pahnabi, Kamal Mohammadi Page 17

    Water is one of the products of the interaction between hydrogen and oxygen in a fuel cell. The presence of this product can reduce the fuel cell performance and cause problems in its operation. The purpose of this study is to introduce a water level control system preventing the loss of reactant gases, such as hydrogen and oxygen, by improving the process of water separation from these gases. Therefore, unused gases are returned to the fuel cell, resulting in a reduction in the cost of using reactant gases to generate electricity. In this paper focuses on the performance of the water level control system in terms of fuel cell specifications and construction constraints. The system consists of a mechanical unit and a control unit and is based on various reactive gases. Effective parameters for controlling the discharge valve, such as the length of the connection path, the sensor angle, the time lags, have been investigated. The path length check showed that if the path length being too high, the pressure changes oscillate, failing to establish a pressure condition for time, and the system loses its performance. The sensor angle only affects on , somehow reaches its maximum by placing the sensor at a 90-degree angle. In addition, according to the tests performed, time between 0.3 and 0.5 seconds is recommended for . Finally, in order to control the water level control system automatically, relations are proposed based on the fuel cell pressure. Overall, the control algorithm showed the correct performance.

    Keywords: Fuel Cell, Venturi, water level control system, quantification, reactant gas
  • Moharram Jafari *, Mohsen Sadeghi, Seyed Mohammad Seyed Mahmoudi, Mortaza Yari Page 18

    Due to the capability of using exhausted gases of power plants directly in reforming process and producing high quality syngas, the tri-reforming process is a considerable kind of reforming process. In the present study, a power generation system based on solid oxide fuel cell with specific capacity and equipped to the external reforming is proposed and investigated form the viewpoint of thermodynamics. In order to conduct the external reforming process, exhausted gases from the system including the steam, carbon dioxide and oxygen are recycled and utilized as the reforming agents in the reactor. In order to model the proposed system thermodynamically, the principals of mass and energy balance are applied in Engineering Equation Software (EES). Effects of such important parameters as the current density and solid oxide fuel cell operating temperature on the system performance indicators including the various voltages, fuel mass flow rate, power generation and the energy as well as the exergy efficiencies of the system are investigated. The parametric study results shows that for the lower values of the current density and higher values of the SOFC operating temperature as well as the fuel utilization factor, the system energy and exergy efficiencies enhances.

    Keywords: Power generation system, Solid oxide fuel cell, External reforming, Hydrogen, Thermodynamic analysis
  • Ali Saeedi *, Nazila Allahdadi Page 19

    Clean energy sources such as hydrogen are developing because of environmental issues. Partial oxidation of methane is important among different methods of hydrogen production due to the reduction in carbon deposition, do the process in a lower temperature range, the high conversion of methane and low energy consumption. In the present work, the numerical simulation of partial oxidation of methane with Rh/Al2O3 catalyst is conducted in a fixed bed flow reactor. The effect of different percentage of product gas recirculation on the hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide production is calculated for various temperatures (500-900°C) and oxygen to methane ratios equal 0.4, 0.5, 0.6 and 0.7, respectively. The results show that in the temperature range, increase in the production gas recirculation cause to increase in Hydrogen and CO production and decrease in CO2 production. Moreover, the calculated data shows that the inlet oxygen to methane ratio equal to 0.5 and 600°C reaction temperature are suitable to enhance Hydrogen production performance by production gas recirculation. Also, it is demonstrated that 50% volumetric product gas recirculation in that temperature and O2/CH4 ratio, cause to increase in H2 production and decrease in CO2 production about 30%.

    Keywords: Hydrogen Production, Partial oxidation, Production Recircalation, numerical simulation
  • Arash Aramesh, Ebrahim Jahanshahi Javaran *, Mehran Ameri, Ighball Baniasad Askari Page 20

    In this study, the thermodynamic and thermoeconomic analysis of an Absorption Heat Transformer (AHT), Organic Rankine Cycle (ORC) and Reverse Osmosis (RO) desalination combined system was performed. The performance of the system was examined with the objective of generating electricity and fresh water from low temperature heat sources. All analyses are carried out based on the thermodynamic and thermoeconomic laws by programming in the EES software. The results have shown that the AHT with increase temperature to 105°C, is produced 494.7 kW thermal energy in absorber, having the Coefficient of Performance (COP) of 0.4372. By applying the AHT produced thermal energy; it is possible to produce 63.15 kW of electricity in the ORC. By using this amount of electricity in the reverse osmosis system, 216.2 m3/day of freshwater are produced where the cost of this amount of water produced achieved 2.374 $/m3. Also, in thermoeconomic analysis, the unit cost of the exergy for all points of the system and the unit cost of the electricity and fresh water were calculated. The levelized cost of electricity at different heat rates was determined, according to the results, the levelized cost of electricity is reduced when the heat rate increases. Also the effects of interest and inflation rate changes on the unit cost of the fresh water were studied.

    Keywords: Absorption heat transformer, Organic Rankine cycle, Reverse osmosis
  • Omid Zahedi Siani, Mohammad Zabetian Toroghi *, Mahdi Sojoodi, Mansoureh Movahedin Page 21

    In the present study, a numerical simulation was conducted to investigate the separation of blood cells using an integrated dielectrophoretic-photophoretic method in a new microfluidic device. In this simulation, the migration behavior of human blood cells under laser radiation with a wavelength of 522 nm and in the presence of fluid flow has been investigated. Studies show that the photophoretic migration of red cells under the irradiation of laser beam is higher than platelets and other blood cells, so that the magnitude of the applied photoelectric force on the red blood cells has been calculated about 9 times that of the white blood cells under the irradiation of laser beam of 50 μm. In this separation using photophoretic forces, red cells were first separated from the platelets and white cells. Subsequently, using the hydrodynamic forces induced by the fluid on the particles and the dielectrophoretic forces, the separation of the platelets from the white blood cells was carried out in different branches of the microchannel. In this study, the dielectrophoretic forces were created using electrode arrays, located on the one side of the microchannel of the microfluidic device. The combination of dielectrophoretic and photophoretic methods has led to a reduction in the magnitude of the required peak to peak voltage for electrodes to a remarkable magnitude of 3v. The proposed design, in addition to high separation efficiency, has a negligible cell loss, so that it can be used as an effective method in many diagnostic processes and medical applications.

    Keywords: Dielectrophoresis, Photophoresis, Microfluidic, Biological cells, Microchannel