فهرست مطالب
مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 3 (خرداد 1400)
- Special Issue
- تاریخ انتشار: 1400/02/27
- تعداد عناوین: 20
-
-
طراحی، ساخت و مطالعه آزمایشگاهی میکروکانال مارپیچی جداساز ذرات در سیستم های میکروسیالات گریز از مرکزصفحات 1359-1372
امروزه تمایل بسیاری به استفاده از میکروسیستم های تحلیلی در زمینه ی تشخیص های مولکولی و میکروسیالاتی وجود دارد چراکه مزایایی مانند فضای کم، کاهش میزان مصرف نمونه و معرف و کاهش زمان تحلیل دارند. میکروسیالات دورانی یک زیر شاخه از حوزه ی میکروسیالات است که با بهره گیری از نیروهای گریز از مرکز باعث حرکت سیال در شبکه های محصور شده در سیستم های دیسک شکل دوار می گردد . این شبکه ها می توانند باعث انجام تحلیل های شیمیایی و یا بیولوژیکی شوند و در نهایت منجر به ساخت دستگاهی با قابلیت جایگزینی دستگاه های رایج برای تشخیص های پزشکی شوند. یکی از پرکاربردترین المان های بکار رفته در سیستم های میکروسیالات، المان جداسازی می باشد. از این المان برای جداسازی ذرات موجود در نمونه با توجه به مشخصاتی مانند مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی استفاده می شود. در این پژوهش روش هندسی جدیدی برای جداسازی ذرات معلق در یک نمونه سیال به روش منفعل ارایه شده است. هندسه مارپیچ شکل بکار رفته در این مدل باعث می شود نیروی گریز از مرکز محلی ناشی از انحنای کانال علاوه بر نیروهای گریز از مرکز و کوریولیس ناشی از دوران دیسک به فرایند جداسازی کمک کند. در ابتدا روند جداسازی ذرات در کانال پیشنهادی مطالعه می شود و سپس تاثیر پارامترهای طول کانال و سرعت دوران بر بازدهی المان بررسی می گردد. نتایج حاصل از آزمایش ها بازدهی جداسازی بالای 90 درصد را نشان دادند که حاکی از پتانسیل بالای این المان در فرایند جداسازی می باشد. همچنین مشاهده شد افزایش سرعت دورانی و طول کانال مارپیچ باعث بهتر شدن فرایند جداسازی و افزایش بازدهی می گردد.
کلیدواژگان: آزمایشگاه روی تراشه، میکروسیالات، میکروسیالات دورانی، میکروکانال مارپیچی، جداسازی -
صفحات 1373-1400
سیال های مگنتورئولوژیکال، یکی از انواع سیال های هوشمند می باشند که به طور گسترده در کاربردهای مهندسی ازجمله دمپینگ ارتعاشات در دمپرهای مگنتورئولوویکال، بکار می روند و تحت میدان مغناطیسی دارای تنش تسلیم و ویسکوزیته قابل افزایش و کنترل می باشند. در این پژوهش، پس از انجام آزمایش روی سه نمونه پودر آهن کربونیل و تست پایداری، سیال بهینه انتخاب می شود. نتایج به دست آمده برای سیال بهینه ساخته شده با 85% وزنی پودر آهن، مشابه نتایج روغن لرد (ساخت آمریکا) می باشد. همچنین یک مدل غیر نیوتونی اصلاح شده جدید جهت مدل سازی رفتار سیال مگنتورئولوژیکال بهینه، ارائه شد که نسبت به مدل های متداول بینگهام پلاستیک و هرچل بالکلی، دارای دقت بیشتری بوده و در مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی قابل استفاده است. سپس، ضمن مدل سازی یک نمونه دمپر مگنتورئولوژیکال با استفاده از مدل مذکور و مدل بینگهام پلاستیک و روش های دینامیک سیالات محاسباتی، تحلیلی شبه استاتیک و ناپایای ارائه شده، نتایج بدست آمده ااعتبارسنجی شد. نتایج حاصل نشان می دهد، در نظر نگرفتن اثر رقیق شوندگی سیال، تنش برشی سیال روی دیواره، ترم اینرسی و اثر میدان مغناطیسی بر ویسکوزیته پلاستیک، باعث خطای قابل توجه، بخصوص با افزایش میدان مغناطیسی، عدد رینولدز و عرض شیار پیستون می شود و روش های ارائه شده در این پژوهش، دقیق تر می باشد.
کلیدواژگان: سیال مگنتورئولوژیکال، دمپر مگنتورئولوژیکال، مدل غیر نیوتونی جدید، میدان مغناطیسی، نیروی دمپینگ -
صفحات 1401-1416
در مقاله حاضر، تاثیر جریان ثانویه ناشی از محرک الکتروهیدرودینامیک بر شار ورتیسیتی، به عنوان معیار قدرت جریان ثانویه و گردابه های ناشی از آن درون یک کانال مسطح به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای حل معادلات میدان های الکتریکی، جریان و دما از روش حجم محدود استفاده شده است. در این مطالعه، تاثیر پارامترهای موثر بر پدیده الکتروهیدرودینامیک از قبیل عدد رینولدز، ولتاژ اعمالی و آرایش الکترود تزریق کننده بر شار ورتیسیتی و همچنین رابطه بین جریان و انتقال حرارت سیال با شار ورتیسیتی مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که در حضور میدان الکتریکی، با افزایش عدد رینولدز جریان ورودی، ابعاد گردابه های اولیه ناشی از باد کرونا و شار ورتیسیتی بی بعد کاهش می یابد. همچنین مشاهده شده که با افزایش ولتاژ، ابعاد گردابه های اولیه و ثانویه ناشی از باد کرونا و شار ورتیسیتی بی بعد افزایش می یابد. نتایج حاکی از آن است که رفتار ضریب افزایش انتقال حرارت بی بعد کاملا مشابه و وابسته به ضریب افزایش شار ورتیسیتی بی بعد می باشد. همچنین، با نزدیک شدن الکترود تزریق کننده به ورودی کانال (d=10 cm) نسبت به موقعیت الکترود نزدیک به خروجی کانال (d=50 cm)، شار ورتیسیتی بی بعد متوسط و ضریب افزایش انتقال حرارت متوسط، به ترتیب 9/27 و 9/17 درصد افزایش می یابد.
کلیدواژگان: تحلیل عددی، شار ورتیسیتی، الکتروهیدرودینامیک، انتقال حرارت -
صفحات 1417-1438
در این مقاله، شکست قطرات غیرنیوتنی شناور در یک سیال غیرنیوتنی به صورت تحلیلی و شبیه سازی عددی سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه ی در نظر گرفته شده، اتصال Tشکل با شاخه های غیرهم طول است که می تواند قطرات با اندازه های غیریکسان تولید نماید. نتایج حل تحلیلی و شبیه سازی عددی این پژوهش، تطابق بسیار خوبی با یکدیگر دارد. کمیت های متعددی از قبیل نسبت دبی شاخه ها، نسبت سرعت شاخه ها، طول قطره در هر شاخه، طول کلی قطره، گردابی، فشار و لزجت موثر، در طول فرآیند شکست بررسی شده است. در این پژوهش با حل تحلیلی، مقادیر نسبت دبی شاخه ها، نسبت سرعت شاخه ها، طول قطره در هر شاخه و طول کلی قطره در طول فرآیند شکست به دست آمد. نتایج حل تحلیلی نشان داد که نسبت دبی شاخه ها و نسبت سرعت سیال در شاخه ها، در طول فرآیند شکست ثابت است. شبیه سازی عددی نیز نتایج تحلیلی را تایید نموده و مشخص نمود که نسبت دبی و نسبت سرعت شاخه ها، در طول فرآیند ثابت است. همچنین نتایج تحلیلی و نتایج عددی ضمن تطابق با یکدیگر نشان دادند که طول قطره در هر یک از شاخه های فرعی و نیز طول کلی قطره، به صورت خطی در طول فرآیند شکست افزایش می یابد و در این مورد نیز، تطابق خوبی بین نتایج حل عددی و تحلیلی مشاهده شد. نتایج حاکی از آن است که مقادیر گردابی در نواحی نزدیک به مرز قطره 3 تا 7 برابر مقادیر گردابی در نواحی میانی قطره است که این موضوع باعث افزایش اختلاط مواد داخل قطره می شود.
کلیدواژگان: قطرات غیرهم اندازه، اتصال تی شکل نامتقارن، حل تحلیلی، شبیه سازی عددی، روش حجم سیال -
صفحات 1439-1456
اولین گام در طراحی توربینهای بادی، انتخاب نسبت سرعت نوک میباشد. لذا باید توسط یک پروسه بهینه سازی، بهترین نسبت سرعت نوک برای تولید بیشترین انرژی از توربین را انتخاب نمود. در این پژوهش، این پروسه بهینه سازی، با در نظر گرفتن پدیده واماندگی دینامیکی صورت گرفته است. این پدیده در توربینهای با جریانهای غیر پایا رخ میدهد و تاثیر زیادی بر عملکرد توربینها دارد. لذا پیشبینی عملکرد توربینها و نیروهای وارد بر آن، زمانی که واماندگی دینامیک رخ میدهد بسیار حیاتی میباشد. هدف این پژوهش بررسی تاثیر جریان ناپایا با نوسان پریودیک بر عملکرد توربینهای بادی محور افقی میباشد.در ابتدا مدل واماندگی دینامیکی لیشمن بدوس انتخاب شده، سپس به کمک این مدل نسبت سرعت نوک بهینه با استفاده از BEM محاسبه میگردد و تاثیر حضور پدیده واماندگی دینامیکی در انتخاب سرعت نوک بهینه نشان داده میشود. همچنین ضریب توان و تراست برحسب زمان بیبعد شده در چند نسبت سرعت نوک بررسی گردیده است. در نمودارهای ضریب توان، علاوه بر نتایج دینامیک، نتایج استاتیک ترسیم شده است. نتایج حاکی از آن است که پدیده واماندگی دینامیکی، باعث کاهش 3% ضریب توان توربین نسبت به جریان پایا میگردد. همچنین λ_opt نسبت سرعت نوک بهینه طراحی، در حالت دینامیک افزایش میابد. همپنین بررسی نمودارهای متوسط زمانی ضریب پسا نشان میدهد که تاخیر در جدایش تقریبا از مقاطع میانی بال شروع میشود و در ریشه به مقدار بیشینه میرسد.
کلیدواژگان: واماندگی دینامیکی، تئوری مومنتوم المان پره، نسبت سرعت نوک بهینه، توربین های بادی محور افقی، جریان ناپایا -
صفحات 1457-1468
در این مقاله از روش عددی شبکه بولتزمن بر پایه مدل زمان آرامش چند گانه برای بررسی تاثیر مکان دریچه ورودی هوا بر رفتار ریزگردها داخل ساختمان استفاده شده است. هندسه مورد بررسی در این مقاله اتاقی با نسبت 1/0 یک اتاق واقعی با ابعاد 914/0×457/0×305/0 متر انتخاب شده و دو موقعیت مختلف (سقف و کف) برای دریچه ورودی هوا با ابعاد 101/0×101/0 متر در نظر گرفته شده است. از آنجاییکه جریان داخل اتاق مغشوش است از مدل حل ادی های بزرگ همراه مدل استاندارد اسماگورنسکی استفاده شده است. همچنین ذرات با ابعاد 1 و 10 میکرومتر برای بررسی نحوه انتشار و ته نشینی بر روی دیواره های اتاق انتخاب گردیده است. تعداد ذرات ته نشین شده و همچنین خارج شده از اتاق برای ذرات با اندازه های مختلف نشان داد، هنگامی که دریچه در کف اتاق قرار دارد خروجی ذرات با سایز بزرگ (10 میکرومتر) نسبت به حالتی که دریچه در سقف قرار دارد بیشتر است و از لحاظ کیفیت، هوای داخل اتاق مناسب تر خواهد بود. اما برای ذرات با سایز کوچک (1 میکرومتر) تفاوت چندانی در خروجی ذرات مشاهده نشد. نتایج نشان داد که نیروی گرانش تاثیر زیادی در ته نشینی ذرات روی کف اتاق دارد به طوری که برای حالت دریچه ورودی هوا در سقف، میزان ته نشینی ذرات با اندازه 10 میکرومتر بر روی کف بسیار بیشتر (حدود 100 برابر) از ذرات با اندازه کوچک (1 میکرومتر) است.
کلیدواژگان: روش شبکه بولتزمن، مدل زمان آرامش چندگانه، ته نشینی ذرات، مدل حل ادی های بزرگ -
صفحات 1469-1486
تحقیق پیش رو به منظور بررسی تاثیر رسوب گرفتگی در عملکرد دیفیوزر مافوق صوت تست استند خلاء انجام شده است. گرفتگی مجرا با رسوب اکسید آلومینیوم به صورت تنگ شدن تدریجی و وابسته به زمان در شبیه سازی عددی لحاظ شده است. در شرایط اولیه، جریان مافوق صوت در نازل و دیفیوزر برقرار است. با گذشت زمان، سطح مقطع دیفیوزر با استفاده از روش شبکه ی متحرک کاهش داده می شود. در تحلیل عددی جریان تراکم پذیر به صورت دوبعدی و تقارن محوری است و از مدل آشفتگی انتقال تنش برشی k-ωبرای حل میدان جریان استفاده شده است. تنگ شدگی مجرا (n) برابر با نسبت قطر لحظه ای گلوگاه ثانویه دیفیوزر به قطر اولیه ی آن تعریف شده است. بررسی ها نشان می دهد که با تغییر پارامتر n از مقدار 1 تا 75/0، جدایش جریان از روی دیواره دیفیوزر به تعویق می افتد و با کاهش افت فشار کل، بازده بازیابی فشار استاتیک جریان توسط دیفیوزر افزایش می یابد. با افزایش میزان تنگ شدن مجرا از 75/0n= تا 64/0n= در اثر خفگی جریان در گلوگاه ثانویه، موقعیت و ساختار امواج ضربه ای جریان در دیفیوزر دچار تغییرات اساسی شده و جدایش جریان در نزدیکی ورودی دیفیوزر و یا در داخل نازل رخ می دهد. در این شرایط، دیفیوزر از حالت راه اندازی خارج شده و محفظه ی تست از شرایط خلاء خارج می شود.
کلیدواژگان: سکوی تست شبیه ساز ارتفاع، دیفیوزر گلوگاه ثانویه، شبیه سازی عددی، روش شبکه ی متحرک -
صفحات 1487-1504
هدف از این تحقیق شبیه سازی سه بعدی جریان حول توربین باد عمود محور در ابعاد واقعی تحت تاثیر نیروهای حجمی حاصل از عملگر پلاسمایی می باشد. بدین منظور، ابتدا عملگر پلاسمایی بر روی یک صفحه تخت که در شرایط هوای ساکن قرار دارد، شبیه سازی شده و نتایج با مدل مرجع اعتبارسنجی گردید. سپس به منظور کاربرد عملگر بر روی توربین باد و به دلیل حساسیت جریان و تاثیر نامطلوب حضور عملگر بر روی سطح پره ها، ایده ی اعمال آن درون سطح پره های توربین اولین بار در این پژوهش بکار گرفته شد. بدین منظور ابتدا توربین باد ابعاد واقعی530 جی بصورت دو بعدی و سه بعدی شبیه سازی و با نتایج تجربی اعتبارسنجی گردید. در آخر، عملگر پلاسما درون سطح پره های توربین عمود محور و بر روی تمام سطح آن ها بصورت متوالی و همزمان اعمال شد. نتایج نشان داد اعمال عملگر با این شرایط خاص، سبب تغییر الگوی جریان بر روی پره ی توربین باد واقعی شده و در نتیجه توان خروجی به میزان 3 درصد افزایش می یابد. آنچه حایز اهمیت می باشد این است که توان در یک توربین بادی محور عمودی مقیاس واقعی با استفاده از تکنولوژی عملگر پلاسما می تواند افزایش یابد. همچنین اعمال عملگر درون سطح پره ها تاثیر در کارایی عملگر نخواهد داشت.
کلیدواژگان: کنترل فعال، عملگر پلاسمایی، توربین باد محور عمودی مقیاس واقعی -
صفحات 1505-1520
پدیده ناپایداری جریان دو فاز در بسیاری از حوزه های کاربرد صنعتی نظیر توربوماشین، سیستم های تبرید، راکتور آب جوشان و سیستم های مشابه مشاهده می شود. پیش بینی پارامتر های جریان سیال مانند افت فشار، محدوده پایداری در خلال جوشش و مشخصات نوسانات، عوامل تعیین کننده ای در طراحی و شرایط ایمنی کارکرد تجهیزات جریان دوفازی است. در این مقاله ناپایداری نوع نوسانات موج چگالی جریان سیال دو فاز در فرایند جوششی مورد تحلیل قرار گرفته است. با معرفی متغیرهای بدون بعد مناسب، یک مدل یکپارچه برای فرایند ارایه شده است. با آنالیز عددی مدل ؛ به وسیله کاربرد یک روش توسعه یافته مبتنی بر روش عددی"وزن دادن به مانده ها"، جهت دستیابی به پاسخ سیستم برای شرایط پایا حل شده است. محدوده ناپایداری بر روی صفحه با مختصات فرکانس واکنش و نسبت فرکانس واکنش به سرعت جرمی ورودی با استفاده از تحلیل انجام شده مشخص شده است و همچنین تاثیر عدد اصطکاکی بر آن مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر افزایش سرعت جرمی، میزان مادون سرد بودن، تغییرات فشار و سایر پارامتر های مهم فرایند بر مشخصات نوسانات و همینطور محدوده ناپایداری بررسی شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش سرعت جرمی، سیستم نسبت به رخداد نوسانات موج چگالی پایدارتر می گردد. کیفیت بحرانی بخار خروجی نیز با افزایش سرعت جرمی کاهش می یابد. از سوی دیگر دروه تناوب نوسانات موج چگالی و دامنه آن با افزایش سرعت جرمی افزایش می یابد.
کلیدواژگان: جریان دو فاز، ناپایداری، نوسانات موج چگالی، جوشش، جوشش، دینامیک غیرخطی -
صفحات 1521-1536
در کار تحقیقاتی حاضر، به بررسی اثر حضور اسکوییلر در بهبود عملکرد آیرودینامیکی و توزیع بار حرارتی در ناحیه نوک پره پرداخته شده است. ابتدا اثر چهار نسبت دمش مختلف بر روی عملکرد خنک کاری نوک پره دارای اسکوییلر به صورت تجربی و با استفاده از روش اندازه گیری انتقال حرارت در حالت پایا و با کمک دمانگار مادون قرمز بررسی شده است. سپس با بهره گیری از رهیافت RANS به بررسی عملکرد خنک کاری و افت های آیرودینامیکی در نوک پره تخت و دارای اسکوییلر پرداخته شده است. نتایج حاصل از تحقیقات تجربی نشان می دهد در پره دارای اسکوییلر، با افزایش نسبت دمش، مناطق وسیع تری از نوک پره تحت پوشش سیال خنک کننده قرار می گیرند. نتایج شبیه سازی عددی نشان می دهد، در تمام نسبت دمش ها، متوسط اثربخشی در سطح پروفیل پره با نوک تخت کمتر از پره دارای اسکوییلر است. در پره دارای اسکوییلر، با افزایش نسبت دمش، مقدار متوسط ضریب انتقال حرارت در سطح پروفیل پره با نوک تخت و دارای اسکوییلر به ترتیب به مقدار 43% و44% کاهش پیدا کرده و متوسط ضریب اثربخشی بر روی لبه داخلی اسکوییلر و سطح بالای اسکوییلر به ترتیب 23% و %15 افزایش پیدا می کند. ضمنا با بالا رفتن نسبت دمش، انتقال حرارت در سطوح ذکرشده کاهش پیدا می کند. با بررسی عملکرد آیرودینامیکی در پره نشان داده شد که حضور اسکوییلر سبب کاهش دبی گذرنده از ناحیه درز نوک و قدرت ورتکس نشتی نوک می شود.
کلیدواژگان: توربین محوری، خنک کاری لایه ای، اسکوئیلر، ضریب اثر بخشی، عملکرد آیرودینامیکی -
صفحات 1537-1548
در این تحقیق، تاثیر دمای هوای ورودی از دریچه ها بر عملکرد سرمایشی سیستم توزیع هوای زیر سطحی و همچنین احساس حرارتی موضعی افراد به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. در این آزمایش، دمای هوا ورودی از دریچه در سه حالت 12، 16 و 20 درجه سلسیوس تنظیم گردیده است. شرایط اتاق به نحوی تنظیم شد که دمای متوسط اتاق روی 5/0±24 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی 2±25% در همه حالات ثابت باشد. طی فرآیند آزمایش، 8 نفر داوطلب مرد سالم با پوشش و نرخ متابولیک مربوط به شرایط اداری متداول، به مدت 30 دقیقه در اتاقی دارای سیستم توزیع هوای زیر سطحی قرار گرفتند و شرایط احساس حرارتی و رضایت مندی ایشان مطابق با استانداردهای آسایش حرارتی در طول زمان استخراج گردید. بر اساس نتایج به دست آمده، با کاهش دمای دریچه ورودی، احساس حرارتی و رضایت مندی بخش های دست و پا کاهش می یابد. نتایج بیان می کند احساس حرارتی و رضایت مندی کل بدن افراد، به طور چشمگیری به شرایط حرارتی بحرانی ترین عضو بدن وابستگی دارد و با ثابت بودن جریان هوا ، افراد با گذشت زمان وزش را بیشتر احساس می کنند؛ به طوری که پس از 30 دقیقه، حدود 75 درصد افراد دچار نارضایتی ناشی از پدیده کوران می شوند.
کلیدواژگان: سیستم توزیع هوای زیر سطحی، آسایش حرارتی، احساس حرارتی موضعی، تحقیق آزمایشگاهی، تهویه -
صفحات 1549-1572
در این مقاله عملکرد پویای خنک کننده جاذب رطوبت دسیکنت ترکیب شده با انرژی های تجدید پذیر خورشیدی و منبع زمینی ارایه شده است. از انرژی خورشیدی به منظور فراهم آوری انرژی مورد نیاز برای احیاء چرخ دسیکنت و از مبدل منبع زمینی به منظور فرآیند پیش خنک کن هوا استفاده شده است. از نرم افزار ترنسیس به منظور شبیه سازی عملکرد گذرای سیستم سرمایشی استفاده شده است. پتانسیل سیستم در برقراری آسایش حرارتی در آب هواهای گرم و مرطوب مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که خنک کننده بررسی شده قادر است با دماهای احیاء پایین (پایین تر از 75 °C) آسایش حرارتی را در این مناطق برقرار کند. به عنوان رویکردی جدید، بیشینه دمای احیاء لازم برای چرخ دسیکنت کنترل شده است. تاثیر عملکرد چرخ دسیکنت و بیشینه دمای احیاء آن بر رفتار سیستم سرمایشی مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج، عملکرد قوی چرخ دسیکنت می تواند آسایش حرارتی برقرار شده را تا 40% و سهم انرژی خورشیدی را تا 14% نسبت به حالت عملکرد ضعیف آن افزایش دهد. با کاهش بیشینه دمای احیاء تا 50 °C، آسایش حرارتی برقرار شده به کمتر از 30% کاهش خواهد یافت. استفاده از مبدل منبع زمینی در سیستم آسایش حرارتی را بهبود می بخشد و به کمک آن می توان درصد مشخصی از آسایش حرارتی را با دماهای احیاء پایین تری برقرار کرد. تحلیل اقتصادی صورت گرفته نشان می دهد که در شرایطی که سیستم بررسی شده دارای توانایی کامل برقراری آسایش حرارتی است، زمان بازپرداخت برابر با 8.2 سال محاسبه شده است.
کلیدواژگان: خنک کننده جاذب رطوبت دسیکنت، انرژی خورشیدی، مبدل منبع زمینی، عملکرد پویا -
صفحات 1573-1590
نرخ انتقال حرارت بالا به عنوان یکی از مزایای مهم رآکتورهای بستر سیال به فرآیندهای هیدرودینامیکی بستر وابسته است. در این تحقیق پارامترهای مهم هیدرودینامیکی از جمله حداقل سرعت شناوری، افت فشار، ارتفاع بستر و وضعیت بستر از نظر تشکیل حباب و رژیم جریان به صورت آزمایشگاهی و عددی بررسی گردید. مدل اویلری دو سیالی به همراه تئوری انرژی جنبشی جریان دانه ای و دو مدل درگ مختلف گیداسپا و سایملال-اوبراین در شبیه سازی عددی حاضر به کار گرفته شد. نتایج نشان داد که با استفاده از مدل درگ گیداسپا در حل عددی، حداقل سرعت شناوری با خطای تقریبی 8/13 درصد و ارتفاع بستر با متوسط خطای 9 درصد نسبت به کار آزمایشگاهی قابل پیش بینی است. به منظور بررسی تاثیر خصوصیات ذرات بر توزیع دمای بستر سیال های حبابی، ذرات جامد مختلف با چگالی و ضرایب پخشندگی گرمایی متفاوت مورد بررسی قرار گرفتند. در نهایت برای اثبات مزیت استفاده از رآکتورهای بستر سیال برای دریافت هوای گرم مورد نیاز در واحدهای صنعتی، توزیع دما و ارتفاع یک رآکتور بستر سیال حبابی و کانال ساده ی دما ثابت در شرایط یکسان مقایسه گردید. نتایج نشان داد که دمای هوای خروجی از یک رآکتور بستر سیال حبابی تقریبا 28 درجه سلسیوس بیشتر از کانال ساده ی مشابه است.
کلیدواژگان: بستر سیال گاز-جامد، مدل دو سیالی، رفتار هیدرودینامیکی، ضریب پخش گرمایی، توزیع دما -
صفحات 1591-1606
از زمانی که انرژی هسته ای بعنوان یک انرژی کاربردی و مفید شناخته شده است در راستای آن مسایل ساختار، عملکرد و ایمنی نیروگاه ها و حفاظت محیط زیست نیز حایز اهمیت میباشند. سیستم های هسته ای بدلیل اینکه اگر حادثه ای رخ دهد ممکن است مواد رادیو اکتیو به محیط زیست نشت پیدا کند و باعث آلودگی محیط زیست گردد، از اهمیت فوق العاده ای برخوردار هستند. در راکتورهای هسته ای یکی از خطرناکترین حوادثی که ممکن است اتفاق بیافتد حادثه از دست دادن خنک کننده می باشد که مهمترین این حوادث شکسته شدن گیوتینی شاخه خنک کننده سرد یا گرم می باشد که در صورت مهار نشدن آن منجر به ذوب قلب راکتور می گردد.در این مقاله شکستگی گیوتینی که در شاخه سرد خنک کننده یک راکتور AP1000 اتفاق می افتد مدل سازی شده است. در مدل سازی انجام شده محفظه ایمنی صورت تک حجمی در نظر گرفته شده است و معادلات بقای جرم و انرژی مربوط به آن نوشته شده است و همچنین تاثیر انتقال حرارت و میعان بر روی آن بررسی شده است. لازم به توضیح است که مدل سازی با نرم افزار MATLAB انجام شده است. نمودار های تغییرات فشار، دما، کیفیت و انتقال حرارت با زمان ترسیم گردیده و سپس نتایج به دست آمده با نتایج موجود مقایسه شده است.
کلیدواژگان: ترموهیدرولیک، مدلسازی تک حجمی، شکستگی گیوتینی، شاخه سرد خنک کننده، محفظه ایمنی، حالت دوفازی -
صفحات 1607-1620
در مقاله حاضر با انجام تست های تجربی، انتقال گرما در پمپ رسانشی با استفاده از الکترودهای مسطح برای دو مایع دی الکتریک نرمال-هگزان و نرمال-دکان به عنوان سیال عامل مورد مطالعه قرار گرفته است. این پژوهش برای ضخامت های مختلف فیلم سیال و با در نظر گرفتن ولتاژ الکتریکی متغیر، انجام شده و اثرات پارامترهای مختلف مانند ویژگی های فیزیکی (اختلاف تحرک یونی، چگالی و گرانروی) و هم چنین دمای کاری سیال بر عملکرد انتقال گرمای پمپ بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که بالاتر بودن اختلاف تحرک یونی سیال دی الکتریک و هم چنین پایین تر بودن چگالی و لزجت، به دلیل بهبود کیفیت تشکیل گردابه ها در همسایگی الکترودها باعث افزایش دبی جریان و افزون بر این به دلیل ایجاد جریان آشفته در اطراف الکترودها موجب افزایش بسیار قابل توجه انتقال گرما در پمپ می شود. از سوی دیگر بیشتر بودن دمای کاری نیز به سبب کاهش چگالی و گرانروی و هم چنین افزایش گرادیان دما بین منبع و مقصد انتقال گرما باعث بالارفتن دبی و انتقال گرما می گردد. افزایش شدید انتقال گرما با استفاده از پدیده رسانش الکتریکی در مقایسه با گذر معمولی جریان از درون یک مجرای ساده (فاقد الکترود) برای تمام ضخامت های مختلف فیلم و دماهای کاری مشاهده می شود. بیش ترین مقادیر افزایش عدد ناسلت برای نرمال-هگزان و نرمال-دکان به ترتیب برابر 1041 و 568 درصد مشاهده می شود.
کلیدواژگان: الکتروهیدرودینامیک، پمپ رسانش الکتریکی، اختلاف تحرک یونی، افزایش انتقال گرما، عدد ناسلت -
صفحات 1621-1636
در این تحقیق راه های به کارگیری تهویه طبیعی در معماری متداول ساختمان ها مورد بررسی قرارگرفته است. در معماری متداول ایران عناصری همچون میان تالار، نورگیر سقفی، حیاط، انواع گذرگاه های عمودی شامل داکت تاسیساتی و کانال آسانسور، پارکینگ، راه پله و خرپشته به کار می رود و می تواند برای تهویه طبیعی به کار برده شود. تهویه با نورگیر سقفی، تهویه با گذرگاه های عمودی در ساختمان مانند آتریم و داکت، تهویه با ترکیب راه پله و داکت و تهویه عبوری مورد بررسی قرار گرفت. از نتایج مهم این تحقیق می توان به تعیین اندازه ی بازشوهای مناسب برای تهویه طبیعی در ساختمان اشاره کرد. در تهویه با گذرگاه های عمودی هوا مانند داکت تاسیساتی و آتریم، نسبت مساحت سطح مقطع گذرگاه به مساحت بازشو از اتاق به آن گذرگاه باید حدود 87/0 قطر هیدرولیکی آن گذرگاه باشد. علاوه بر این مساحت بازشوی اتاق به بیرون حدود 5/1 برابر مساحت بازشوی اتاق به گذرگاه در نظر گرفته شود. نتایج بررسی نشان داد که در شیوه ی تهویه با نورگیر سقفی حداکثر مساحت بازشوی خروجی مستقل از زیربنا و برابر با 1 مترمربع در نظر گرفته شود. در شیوه ی تهویه از طریق ترکیب داکت و راه پله مساحت بازشوی قرارگرفته بر روی خرپشته برابر با مساحت سطح مقطع داکت در نظر گرفته شود.
کلیدواژگان: تهویه طبیعی، معماری متداول ایران، راه پله، میان تالار، داکت -
صفحات 1637-1652
هدف از مطالعه حاضر بررسی تاثیر افزودن آب بر احتراق همگن سوخت هپتان نرمال است. جهت نیل به هدف مذکور یک موتور بارهمگن اشتعال تراکمی با استفاده از یک مدل ترمودینامیکی چند منطقه ای شبیه سازی شده است. سوخت موتور مورد نظر هپتان نرمال بوده که فرایند احتراقی آن با استفاده از یک مکانیزم سینتیک شیمیایی شبه توسعه یافته شبیه سازی شده است. در ابتدا دقت مدل در پیش بینی عملکرد و آلاینده های احتراق همگن سوخت هپتان نرمال با استفاده از داده های تجربی ارزیابی شده و سپس مقادیر مختلف آب به مخلوط سوخت و هوای داخل محفظه افزوده شده و اثرات آن بر عملکرد و آلایندگی موتور بررسی شده اند. نتایج به دست آمده نشان می دهند که افزودن آب، بیشینه دما و فشار داخل محفظه احتراق را کاهش داده و سبب به تاخیر افتادن آغاز احتراق می شود. افزودن مقادیر بالای آب، سبب بدسوزی شده، بازده حرارتی موتور را به طور محسوسی کاهش داده و آلاینده های خروجی از موتور را افزایش می دهد. بیشترین اثر آب بر عملکرد و آلایندگی موتور، اثر حرارتی آن بوده و اثر شیمیایی آن بر موارد ذکر شده قابل صرف نظر است.
کلیدواژگان: احتراق همگن، هپتان نرمال، افزودن آب، آلایندگی، مدل چند منطقه ای -
صفحات 1653-1666
به منظور عملکرد بهتر پیل های سوختی غشاپلیمری، نیاز به مرطوب سازی گازهای واکنشگر قبل از ورود به پیل است. استفاده از مرطوب ساز غشایی تخت با داشتن مزایای مهمی از قبیل ساختمان سادهو نداشتن قطعه متحرک، برای مرطوب سازی گازهای واکنشگر یکی از بهترین روش ها بوده که در این مقاله به آن پرداخته شده است. در این مطالعه پیشنهاد شده به منظور افزایش زمان ماند گازها در دو طرف غشا، لایه های متخلخل (لایه های پخش گاز) قرار داده شود. با مدل سازی سه بعدی و عددی مرطوب ساز، به بررسی اثر قرار دادن لایه های متخلخل و تاثیر خواص این لایه ها بر عملکرد مرطوب ساز پرداخته شده است. بدین منظور، ابتدا یک مرطوب ساز بدون لایه متخلخل، مدل سازی شده و سپس لایه متخلخل در سمت کانال های مرطوب، سمت کانال های خشک و دو سمت غشا قرار گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که بیشترین دمای نقطه شبنم خروجی سمت خشک به ترتیب مربوط به حالت استفاده از لایه های پخش گاز در هر دو سمت غشا، در سمت خشک، در سمت مرطوب و مرطوب ساز بدون لایه پخش گاز می باشد. در همه ی حالت های گذاشتن لایه متخلخل، با افزایش ضریب تخلخل و میزان نفوذپذیری لایه پخش گاز، نقطه شبنم خروجی سمت خشک افزایش می یابد و عملکرد مرطوب ساز را بهبود می بخشد.
کلیدواژگان: مرطوبساز غشایی، پیل سوختی غشا پلیمری، لایه های پخش گاز، نقطه شبنم، مدلسازی عددی -
صفحات 1667-1676
پیل های سوختی پلیمری با آند و کاتد انتها بسته می توانند با سیستمی نسبتا ساده درصد مصرف سوخت های اکسیژن و هیدروژن را افزایش دهند. با این وجود، تجمع آب در بخش انتهایی کانال های آند و کاتد موجب قحطی سوخت موضعی و در نتیجه کاهش عملکرد پیل سوختی می شود. در این مقاله، برای اولین بار یک طرح جدید برای سری پیل سوختی ارائه شده است که بدون استفاده از دستگاه های گردش مجدد سوخت که نیازمند صرف توان اضافی هستند، می تواند درصد مصرف سوخت را افزایش دهد. ایده اصلی طرح ارائه شده تقسیم سری به دو مرحله مجزا است: گاز خروجی از مرحله اول بعد از ورود به جداساز به مرحله بعدی وارد می شود. گازهای واکنشگر قبل از ورود به سلول ها از یک رطوبت زن یکپارچه با سری عبور کرده و رطوبت مورد نیاز برای عملکرد مناسب را کسب می کنند. در طرح ارائه شده اگرچه پیل سوختی در حالت انتهابسته کار می کند اما با توجه به مرحله ای بودن سری، بیشتر سلول ها در استوکیومتری بزرگتر از 1 کار می کنند. با این طراحی نیاز به تخلیه کمتری برای دفع آب تجمع یافته است. به عبارتی دیگر، کارایی طرح انتها بسته معادل طرح انتها باز خواهد شد. تمامی آزمون های عملکردی در یک سیستم قدرت یکپارچه با پیل سوختی انجام شده است.
کلیدواژگان: پیل سوختی پلیمری، عملکرد انتها بسته، زمان تخلیه، کارایی، رطوبت زن یکپارچه، تجمع آب -
صفحات 1677-1694
در این مطالعه با استفاده از نرم افزار متلب، مدلسازی دینامیکی یک گلخانه نیمه خورشیدی از دیدگاه انرژی، اگزرژی و اقتصادی برای اولین بار در ایران، با توجه به مستندات علمی منتشر شده، انجام شده است. این مدلسازی با در نظر گرفتن تبخیر و تعرق گیاه، دمای چهار نقطه متفاوت از داخل گلخانه نیمه خورشیدی را پیش-بینی کرده است. جهت راستی آزمایی مدل ترمودینامیکی این شبیه سازی، از داده برداری انجام شده از گلخانه نیمه خورشیدی ساخته شده در شهر تبریز استفاده شده است. داده های ثبت شده در طول آزمایش، اختلاف دمای قابل ملاحظه °C 5/19 درجه سانتیگراد بین هوای داخلی گلخانه و هوای بیرون را نشان داده است. مقادیر متوسط %5/97، %87، %08/6، °C2 4/213 و °C 1/2 برای توابع خطای ضریب تبیین ، درصد کارایی ، درصد میانگین خطای مطلق ، مجموع مربعات خطا و ریشه متوسط مربعات خطا نشان دهنده دقت مدلسازی حرارتی می باشد. علاوه براین در این پژوهش، مقادیر نابودی اگزرژی در فرآیندهای انتقال حرارت گلخانه مورد تحلیل قرار گرفته است. با توجه به اینکه تولید شرایط دمایی مناسب برای رشد گیاه به عنوان هدف اقتصادی این مطالعه در نظر گرفته شده است، هزینه واحد هوای داخلی گلخانه برای بازه زمانی یک دقیقه بررسی گردیده است. با افزایش نرخ بهره از %10 به %20، هزینه واحد هوای داخل گلخانه تقریبا دو برابر شده است. استفاده از شیشه-های دو جداره توانسته است نابودی اگزرژی را تا % 36/45 کاهش دهد.
کلیدواژگان: گلخانه نیمه خورشیدی، تبخیر و تعرق گیاه، نابودی اگزرژی، هزینه واحد هوا
-
Pages 1359-1372
Nowadays there are a lot of tendencies to use analytical micro-systems in the field of molecular and microbial diagnostics, because of benefits such as less required space, reduced sample and reagent consumption and shorter analysis time. The rotational microfluidic is a sub-branch of the microfluidic systems which by using centrifugal forces, causes the fluid to flow in the networks enclosed in disk-shaped rotating systems. These networks can carry out chemical or biological tests and lead to create more capable devices replaced with current regular devices for medical diagnosis. One of the most commonly used elements in microfluidic systems is the separation element. This element is used to separate particles in the sample by considering mechanical, chemical and electrical specifications. In this study, a novel geometry designed to seperate particles passively in microfluidic systems. The spiral microchannel geometry imports the local centrifugal force caused by the curvature of the channel in addition to the centrifugal and the Coriolis forces, to affect the particles and increase the efficiency of the separation. At first, the particle separation process in the proposed channel studied. Then the effect of the channel length and rotational velocity parameters on the separation efficiency investigated. The results of the experiments showed that the separation efficiency is above 90%, which indicates the high potential of this element in the process of separation. Also, It was observed that the increase in rotational velocity and the length of the spiral channel improves the process of separation and increases the efficiency.
Keywords: Microfluidic, Centrifugal Microfluidics, Lob On Disc, Spiral Microchannel, Separation -
Pages 1373-1400
Magneto-rheological fluids are one of the intelligent fluids which have been extensively used in engineering application including magneto-rheological dampers. Having yield stress in a magnetic field and ability to control and increase their viscosity are their most important characteristics. After three different carbonyl iron powders were subjected to analysis, five different magneto-rheological fluids were synthesized and were tested for stability and the optimized fluid obtained. The results obtained from the optimized magneto-rheological fluid with 85% (weight %) iron powder was similar to that of LORD oil. Also, a modified non-Newtonian rheological model was developed to predict the behavior of the optimized magneto-rheological fluid which is more accurate than Bingham and Herschel-Bulkley models and could be implemented in computational fluid dynamic modelling. The modelling of the damper was conducted by implementing modified non-Newtonian and Bingham models using analytical quasi-static, unsteady and computational fluid dynamicmethods and the results were validated with experimental data. The results show that neglecting factors including fluid shear thinning, wall shear stress and inertia term effects and effect of magnetic field on plastic viscosity in conventional modelling methods results in considerable error that will increase as magnetic field, Reynolds number and gap are increasing.
Keywords: Magneto-Rheological Fluid, Magneto-Rheological Damper, New Modified Non-Newtonian Model, Magnetic Field, Damping Force -
Pages 1401-1416
In this paper, the effect of the secondary flow induced by the electrohydrodynamic (EHD) actuator is numerically investigated in the vorticity flux, as a criterion for the secondary flow strength, and the EHD vortices through a smooth channel. In this study, the influence of effectiveness parameters of the EHD as the Reynolds number, applied voltage and the arrangement of the emitting electrode on the vorticity flux, and also relationship between flow and heat transfer characteristics with the vorticity flux are evaluated. The results indicated that in presence of electric field, by increasing the Reynolds number, dimension of the upstream EHD-induced vortices and the vorticity flux are decreased. Also, it is obvious that by increasing the applied voltage, the dimension of the EHD-induced vortices and the vorticity flux are increased. According to numerical results, the heat transfer enhancement is completely depend on the vorticity flux. Also, by changing of the emitter arrangements, the non-dimension average vorticity flux and the average heat transfer enhancement are changed. It is shown that with decrease of the distance between emitter electrode and inlet of channel, from d=50 cm to d=10 cm, the non-dimension average vorticity flux and the average heat transfer enhancement are increased 27.9% and 17.9%, respectively.
Keywords: Numerical Analysis, Vorticity Flux, Electrohydrodynamics, Heat Transfer -
Pages 1417-1438
In this paper we performed an analytical and 3D numerical investigation for breakup of non-Newtonian droplets in a non-Newtonian carrier fluid. The system geometry is T-junction with unequal length branches that can generates unequal sized droplets. Analytical and 3D numerical results of this research have good agreement with each other. We investigated variation of many quantities during the breakup process such as: flow rate ratio of branches, velocity ratio of branches, droplet length in each branch, whole length of droplet, vorticity, pressure and effective viscosity. The analytical results of this paper reveal the variation of flow rate ratio of branches, velocity ratio of branches, droplet length in each branches and whole length of droplet during the breakup process. The results showed the flow rate ratio of branches and the velocity ratio of branches is constant during the breakup process. Also we observed the droplet length in each branches and whole length of droplet increase linearly during the breakup process. The results showed vorticity near the surface of the droplet is 3 to 7 times the vorticity of the inside of the droplet, therefore the mixing of the materials of the droplet inside increases. Also the maximum vorticity is before reaching the droplet to the center of junction.
Keywords: Non-Newtonian Fluid, Assymetric T-Junction, Analytical Solution, Numerical Simulation, 3 Dimensional -
Pages 1439-1456
The first step in turbine blade design is to select TSR. Therefore, an optimization procedure should be applied to find the best ratio since this directly affects the energy generated from the turbine. In this research the optimum TSR are calculated with regard to the dynamic stall phenomenon. The dynamic stall imposes large amplitude loading on airfoil sections and since it occurs in HAWT operating envelope in unsteady flow. The purpose of this study was to investigate the effect of unsteady flow with periodic oscillation on the performance of HAWT turbines. A DS model is implanted to analyze the static data. Then the Beddoes-Leishman DS model was tailored to the HAWT environment. Then, using this model and BEMT, the optimal TSR is calculated And the impact of the presence of dynamic stall is shown. Also, Cp and CT are plotted in several different TSR with different time steps to express the effects of Unsteady phenomenon. In addition to dynamic results, static and steady results are plotted in power and thrust graphs. This phenomenon affect the efficiency by -3% as compared to the static stall. Also the Optimum TSR increases in dynamic mode. Examination of the time average diagrams of the drag coefficient shows that the delay in separation starts approximately from the midpoints of the blade and reaches the maximum value at the root.
Keywords: Dynamic Stall, Blade Element Momentum Theory, Optimum Tip Speed Ratio, HAWT, Unsteady Flow -
Pages 1457-1468
In this work Multi-Relaxation Time Lattice Boltzmann Method (MRT-LBM) is used to investigate the effect of the inlet air position on particle motion in a room. The sub-scale modeled room is one-tenth the scale of a full-size room with dimensions of 0.914 m×0.305 m×0.457 m and two different positions (ceiling and floor) are considered for the inlet air with dimension of 0.101m×0.101m. Large Eddy Simulation (LES) with Standard Smagorinsky model is utilized to simulate the turbulent indoor airflow. Particles with 1 and 10 micrometer sizes are selected for investigation of particle dispersion and deposition on the walls of the room. Number of deposited particles and those exiting the room show that when the inlet air is on the floor, the number of particles leaving through the exhaust register with bigger size (10µm) is more than the case for ceiling position. For smaller particles (1 µm) there is no significant difference between the floor and ceiling position of the inlet air for particles leaving the room thought the exhaust register. Results show that the gravity force significantly affect the particle deposition, as the number of deposited 10 µm particles on the floor are about 100 times that of the deposited 1 µm particles when the inlet air position is at ceiling.
Keywords: Lattice Boltzmann Method, MRT, Partciel Deposition, Dispersion, LES -
Pages 1469-1486
This paper is presented to investigate the deposition effect on a second throat exhaust diffuser performance. In the numerical simulation, the blockage of the diffuser due to the deposition of aluminum oxide is considered by a gradual and time-dependent cross-section constriction. In the initial conditions, the supersonic flow has been established in the nozzle and diffuser. Diffuser cross-section area is reduced by using a dynamic mesh method during the solution. The flow is considered compressible, viscous, and 2 dimensional axis-symmetric. The k-ω shear stress transport turbulence model is used to solve the turbulent flow field. Diffuser blockage (n) is equal to the ratio of instantaneous and primary diameters of the second-throat. By changing the value of n from 1 to 0.75, the onset of flow separation is moved to the downstream location in the diffuser. This results in a considerable reduction of total pressure loss and then improves the flow pressure recovery. Decreasing parameter n from 0.75 to 0.64, the flow structure is subjected to severe changes and the separation of the flow occurs near the diffuser inlet or inside the nozzle. In this condition, the diffuser state changes from starting to un-starting mode. Therefore, the vacuum condition vanishes in the test chamber.
Keywords: High Altitude Test Facility, Second-Throat Diffuser, Numerical Simulation, Dynamic Mesh Method -
Pages 1487-1504
The present study numerically investigates the feasibility of using multiple dielectric barrier discharge multi-DBD plasma actuators inside the surface of geometry as a novel approach for active flow control over a large vertical axis wind turbine. For this reason, the plasma actuator is modeled based on Suzen Model and the results are validated. Then, a computational study is carried out on a commercial large scale vertical -axis wind turbine to examine the effect of the presence of the plasma actuator. The 530G vertical-Axis wind turbine is used as the baseline case. The plasma actuator was applied inside the surface of the blades of turbine and on all their surfaces in a sequential and simultaneous way. Plasma actuator is one of the newest devices in flow control techniques which can delay separation by inducing external momentum to the boundary layer of the flow. It is revealed that the use of multi-DBD actuators could enhance the induced velocity; this affects the pressure distribution and increases the aerodynamic torque. Consequently, an averaged power increase of 3 % was achieved. Possibility of increase in wind turbine power even in a commercial scale large turbine has been proved by flow separation control using the plasma actuation technology. In addition, the application of the plasma inside the surface of the blades will not effect on its performance.
Keywords: Active Control, Plasma Actuator, Commercial Large Scale Vertical-Axis Wind Turbine -
Pages 1505-1520
Two-phase flow instabilities are observed in many areas of industrial applications such as turbomachinery, refrigeration systems, water boiling reactors and similar systems. Predicting fluid flow parameters such as pressure drop, stability region during boiling and oscillation characteristics are the determining factors in the design and operating conditions of two-phase flow equipment. In this paper, density wave oscillations type instability in boiling process is analyzed.By introducing appropriate dimensionless variables, an integrated model for the process is presented. The model is solved for steady state response of the system by using numerical analysis of a developed numerical method based on weighted residual method (WRM). Stability region is determined in reaction frequency versus ratio of reaction frequency to inlet mass flow plane. In addition, friction number effect on stability threshold is assessed. The effect of mass flow rate, inlet subcooling, system pressure and other important process parameters on the oscillation characteristics as well as the instability boundary are investigated.The results show that with increasing mass flow, the system becomes more stable for DWO occurrence. The critical quality of the exhaust vapor also decreases with increasing mass flow. On the other hand, the period of DWO oscillation and its amplitude increases with increasing mass flow.
Keywords: Two Phase Flow, Instability, Density Wave Oscillations, Boiling -
Pages 1521-1536
In the present article, the effects of Squealer on aerodynamic performance and thermal load distribution on the blade tip region have been investigated. Experimental results are presented at Blowing Ratios of BR = 0.5, 0.75, 1.0, and 1.5. The Film-Cooling Effectiveness is measured via the steady-state Heat Transfer Measurement Technique using an IR camera. The RANS approach has been applied to compare the Film Cooling performance and Aerodynamic Losses in the plane and recessed blade tip. The experimental results indicate that, as the blowing ratio increases, the coolant jets provide better cooling coverage on the cavity surface. The numerical results show that the Plane Tip Averaged Film-Cooling Effectiveness is lower than that for the Squealer Tip. It can be observed that, for the Plane Tip and Squealer Tip configurations, as the blowing ratio increased, the area-averaged Heat Transfer Coefficient decreased by about 43% and 44%, respectively. Moreover, the area-averaged Film-Cooling Effectiveness on Squealer tip surface and Rim walls increased by 15% and 23%, respectively. Furthermore, the lower Heat Transfer Coefficient was observed at a higher Blowing Ratio on the surfaces mentioned above. The Squealer Tip geometry showed better aerodynamic performance, which results in weaker tip leakage vortex and lower tip leakage flow rate with respect to the plane tip geometry.
Keywords: Axial Turbine, Film Cooling, Squealer, Aerodynamic Loss -
Pages 1537-1548
In the present study, the effects of inlet cooling air temperature from the diffusers of under-floor air distribution system have been experimentally investigated on the occupants’ local thermal sensation. In the experiments, the inlet air temperature is controlled at 12°C, 16°C and 20°C, and the inlet velocity is kept constant. Also, the room thermal conditions have been controlled at the mean temperature of 24±0.5°C and mean relative humidity of 25±2%. During the experiment, 8 healthy male subjects with common office clothing and metabolic rate were exposed to an under-floor air distribution system for 30 min and their thermal sensation and satisfaction were assessed on the basis of thermal comfort standards. Based on the results, the head and chest thermal sensations are not significantly depended on inlet temperature. But, by decreasing the inlet temperature, the thermal sensation and satisfaction of hands and feet are decreased. Moreover, the results indicated that the overall body thermal sensation is significantly depended on the sensation of the body parts with extreme thermal conditions. Also, the results show that the feeling of air movement can be increased during the time; so, the subjects reported about 75% draught discomfort after 30 min exposure to under-floor air distribution system.
Keywords: Under-Floor Air Distribution System, Thermal Comfort, Local Thermal Sensation, Experimental Study, Ventilation -
Pages 1549-1572
In this paper, the dynamic operation of a desiccant cooling system combined with solar and ground source renewable energies has been presented. Solar energy has been used for providing the required energy for regenerating the desiccant wheel (DW), and the ground source heat exchanger (GSHE) has been exploited as an air pre-cooling component. Transient operation of the desiccant system has been performed using TRNSYS software. The potential of the system in providing thermal comfort has been assessed in hot-humid regions. Results reveal that the studied desiccant system is capable of providing thermal comfort in these regions with low-grade regeneration temperatures (lower than 75 ℃). As a new perspective, the maximum value of the DW regeneration temperature has been controlled. The effect of the DW performance and its maximum regeneration temperature has been evaluated on the behavior of the system. Regarding the results, high performance DW can increase the provided thermal comfort up to 40% and contribution of solar energy up to 14% compared with its low performance. With reduction in maximum value of regeneration temperature to 50 ℃, the achieved thermal comfort will be decreased to lower than 30%. Using the GSHE in the system enhances the thermal comfort and a specified level of that can be provided with lower regeneration temperatures. The conducted economical assessment show that in the situation in which the system entirely provides thermal comfort, the payback period is calculated to be 8.2 years.
Keywords: Desiccant Cooling System, Solar Energy, Ground Source Heat Exchanger, Dynamic Performance -
Pages 1573-1590
High heat transfer rate as one of the important advantages of fluidized bed reactors is attributed to hydrodynamic mechanisms. In this research the important hydrodynamic parameters such as minimum fluidization velocity, pressure drop, bed height, bubble formation and flow regime were investigated experimentally and numerically. The two-fluid model coupled with the kinetic theory of granular flow and two different drag models of Gidaspow and Syamlal-O'Brien were applied in the present simulation. The results showed that by using the Gidaspow drag model in numerical solution, the minimum fluidization velocity with an approximate error of 13.8% and the bed height with an average error of 9% are predictable in comparison with the experiments. In order to investigate the effects of particles properties on temperature distribution of a bubbling fluidized bed, several solid particles with different densities and thermal diffusivities were investigated. Finally, to demonstrate the advantages of fluidized beds to receive the required hot air in industrial units, temperature distribution and required height of a bubbling fluidized bed reactor were compared with a similar constant surface temperature simple channel. The results showed that the outlet air temperature of a bubbling fluidized bed is about 28 degrees Celsius higher than a similar simple channel.
Keywords: Gas-Solid Fluidized Bed, Two-Fluid Model, Hydrodynamic Behavior, Thermal Diffusivity Coefficient, Temperature Distribution -
Investigation of Thermo-Hydraulic Parameters of Reactor Containment due to Cold-Leg d Brake AccidentPages 1591-1606
Since the nuclear energy has been recognized as a useful energy, the subject of structure, operation and safety and environmental protection have also been important. in the nuclear reactors, one of the most dangerous accidents that can occur is the loss of coolant accident, that the most important of these events is the guillotine breaking in cold or hot leg coolant, which, This will melt the reactor core if it is not stopped. This paper presents one of the most dangerous accidents in reactor containments known as Loss of Coolant Accident (LOCA) in its worst condition which is called large LOCA.The specific type of large LOCA is DECL (Double Ended Cold Leg) break which means totally guillotine type of break in cold leg pipe. This modeling is performed in single volume method in AP1000 reactor which is one of the most sophisticated safe reactors that has ever been built. The conservation mass and energy equations have been used in this modeling and the modeling software applied in our analysis is MATLAB, and the results are compared with the AP1000 safety, security and environmental reports.
Keywords: AP1000, Thermohydraulic, Single Volume Modeling, Guillotine Fracture, Cold-Leg Coolant -
Pages 1607-1620
In the current paper, heat transfer in conduction pumping of n-hexane and n-decane dielectrics (as working fluids) using flush electrodes is investigated by conducting experimental tests. The Study has been carried out for different fluid film thicknesses and variable applied electric voltage, and the effects of various parameters such as physical properties (ion mobility difference, density and viscosity), as well as fluid working temperature on heat transfer performance of the conduction pump have been investigated. The results show that higher ion mobility difference, as well as lower density and viscosity, increases the flow rate and heat transfer in the conduction pump, due to the improvement of the vortices formation in the vicinity of the electrodes. Moreover, it significantly increases the heat transfer in the pump by creating turbulent flow around the electrodes. On the other hand, higher operating temperatures enhance the flow rate and heat transfer due to decreasing density and viscosity and also increasing the temperature gradient between the source and the destination of heat transfer. The intense heat transfer enhancement by using the conduction phenomenon compared to the ordinary fluid flow pumping through a simple duct (having no electrodes) is seen for all film thicknesses and working temperatures. Maximum observed enhancement of Nusselt number for n-hexane and n-decane are equal to 10401% and 568%, respectively.
Keywords: Electrohydrodynamic, Electrical Conduction Pump, Ion Mobility Difference, Heat Transfer Enhancement, Nusselt Number -
Pages 1621-1636
Methods of using natural ventilation in the architecture of the buildings have been studied. Architectural elements such as: the atrium, the ceiling light aperture, the courtyard, the staircase, dome roof, duct of the installations, and vertical channels of the building such as channel of the elevator are widely used in Iranian buildings. Feasibility of using these elements for natural ventilation has been studied taking into account the relevant standards. Significant results of the study are the sizes of the openings suitable for each case of ventilation. For the ventilation based on vertical paths such as the installation duct or the atrium, the ratio of the path area to the opening to it should be 0.78 times of the hydraulic diameter of the path. The area of the opening of the room to outdoor should 1.5 times of the opening of the room to the path. For ventilation using the light ceiling aperture the area of the opening to outdoor is independent of building area and should be 1 m2. In ventilation using duct and staircase the should be an opening on the doom roof with area equal to the area of the duct.
Keywords: Atrium, Natural Ventilation, Traditional Architecture Of Iran, Staircase, Duct -
Pages 1637-1652
The main purpose of current study is investigation on the effect of water addition on n-heptane homogenous charge compression ignition combustion. A multi zone model coupled to the semi-detailed chemical kinetics mechanism is used for simulation of n-heptane homogenous charge compression ignition combustion. First, the accuracy of the model was estimated for two different operating modes, and then seven different amounts of water were added to the fuel and its effects on n-heptane combustion were investigated. Thermal, chemical and dilution effects of water are studied using artificial inert species method. The results show that the start of combustion was retarded by water addition due to the thermal effect of water. Peak values of in-cylinder pressure and heat release rate decreases by water addition. Water addition has caused the maximum amount of radicals in the combustion chamber to be reduced and the time of their formation is delayed. Water addition increases the amount of unburned hydrocarbons at exhaust. Thermal effect of water on start of combustion and emissions formation is more significant than its dilution and chemical effects. Using small quantities of water will increase the thermal efficiency of the engine and reduce emissions from it.
Keywords: Homogeneous Combustion, N-Heptane, Water Addition, Engine Emissions, Multi Zone Model -
Pages 1653-1666
Proton exchange membrane fuel cells requires humidification the reactive gases before entering the fuel cell for good performance. Using a planar membrane humidifier with important advantages such as simple building and no moving parts, is one of the best methods to humidification the reactive gases discussed in this paper. In this study, it is proposed to insert porous layers (gas diffusion layers) on both sides of the membrane, to increase the residence time gases. Therefore, by using three-dimensional and numerical modeling of the humidifier, the effect of porous layers and the effect of their properties on the humidifier performance are investigated. For this purpose, a non-porous humidifier is first modeled, and then the porous layer is inserting on the wet side, on the dry channel side, and on two sides of the membrane, and the performance of these models is compared. The results show that the highest dew point temperature of dry side outlet is related to the use of gas diffusion layers on both sides, on the dry side, on the wet side and humidifier without gas diffusion layers respectively. In all cases of laying gas, with increasing porosity coefficient and permeability, dew point increase and improve humidifier performance.
Keywords: Membrane Humidifier, PEM Fuel Cell, Gas Diffusion Layer, Dew Point, Numerical Modeling -
Pages 1667-1676
Proton exchange membrane fuel cells with a dead-ended anode and cathode can obtain high hydrogen and oxygen utilization by a comparatively simple system. Accumulation of the water in the anode and cathode channels can lead to local fuel starvation, which degrades the performance of fuel cell. In this paper, for the first time, a new design for proton exchange membrane fuel-cell stack is presented that can achieve higher fuel utilization without using fuel recirculation devices that consume parasitic power. Unified humidifier is another novelty that is applied for the first time. The basic concept of the design is to divide the anodic cells of a stack into two blocks by conducting the outlet gas of each stage to a separator and reentering to next stage, thereby constructing a multistage anode and cathode. In this design, higher gaseous flow rate is maintained at the outlet of the cells, even under dead-end conditions, and this results in a reduction of purge-gas emissions by hindering the accumulation of liquid water in the cells. The result shows that with this new design the dead-end mode has the same performance as open-end mode. All performance tests were carried out at an integrated power system.
Keywords: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Dead-End Performance, Purge Time, Efficiency, Unified Humidifier, Water Accumulation -
Pages 1677-1694
In this study, modeling of a semi-solar greenhouse has been done using Matlab software from the viewpoint of energy, exergy and economic, for the first time to the best of the author’s knowledge. This simulation predicts the four different point’s temperatures of the semi-solar greenhouse, considering mass and heat transfer between greenhouse components and the crop evapotranspiration. The results of the proposed modeling have evaluated by data recording from the constructed typical semi-solar greenhouse experimentally. Noticeable value of 19.5 ℃ has obtained for the temperature difference of the inside air and the outside air during tests. For statistical error functions of for R2, EF, MAPE, TSSE and RMSE, average values of 97.5%, 87%, 6.08 %, 〖213.4℃〗^2 and 2.1 ℃ have been calculated which shows the acceptable accuracy of the thermodynamic analysis. Moreover, exergy destruction of heat and mass transfer processes in the greenhouse system has been inspected. Considering the aim of this study as providing suitable thermal conditions for the inside air, the greenhouse air unit cost for each time step of one minute was analyzed. The unit cost of the air inside the greenhouse increases considerably by raising the interest rate from 10% to 20%. Using the technique of double layer glass separated with air filled space as the greenhouse cover, total exergy destruction of the semi-solar greenhouse decreases about 45.36%.
Keywords: Semi-Solar Greenhouse, Crop Evapotranspiration, Exergy Destruction, Air Unit Cost