فهرست مطالب
مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 3 (خرداد 1400)
- تاریخ انتشار: 1400/02/27
- تعداد عناوین: 19
-
-
صفحات 1697-1708
اثر بال زدن بر نیروی برآ و پیشران در بال سه بعدی در محدوده اعداد رینولدز پایین (کمتر از 200000) و فرکانس های کاهش یافته مختلف با استفاده از آزمون تجربی در تونل باد مادون صوت مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش ها در محدوده اعداد رینولدز 42000 تا 170000 که محدوده اعداد رینولدز برای پرندگان واقعی است صورت پذیرفته است. فرکانس های کاهش یافته مورد بررسی نیز در محدوده 0 تا 45/0 می باشد که اغلب پرندگان در این محدوده پرواز می کنند. آزمون ها در زوایای حمله 0 تا 24 درجه صورت پذیرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهد افزایش فرکانس کاهش یافته تا 100 درصد نیروی برآ را افزایش داده و در برخی از شرایط نیروی پسا را به صفر رسانده است. همچنین افزایش فرکانس کاهش یافته باعث تاخیر در زاویه واماندگی بال شده است. نتایج به دست آمده در تغییر عدد رینولدز نشان می دهد که با تغییر عدد رینولدز از 42000 به 86000 لایه مرزی در بخش وسیع تری از سطح بال از آرام به آشفته تبدیل می گردد، لذا بیشینه ضریب برآ به میزان 40% افزایش می یابد. همچنین مشخص شد که تاثیر فرکانس کاهش یافته بر نیروی برآ وابسته به زاویه حمله است به گونه ای که در زوایای حمله پایین افزایش فرکانس کاهش یافته تاثیری بر ضریب برآ نداشته اما با افزایش زاویه حمله تاثیر مثبت فرکانس کاهش یافته بر ضریب نیروی برآ بیشتر شده است.
کلیدواژگان: بالزن، اعداد رینولدز پایین، آیرودینامیک بال، جریان زیر صوت، وسایل پروازی کوچک -
صفحات 1709-1728
در تحقیق حاضر، تاثیر عوامل مختلف در شبیه سازی جریان اطراف یک توربین باد محور عمودی نوع H با پره هایی از مقطع ایرفویل NACA0018 مورد مطالعه قرار گرفته است. تمامی محاسبات با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی و روش حجم محدود انجام شده اند. سرعت های جریان باد 5، 10 و 15 متربرثانیه و نسبت سرعت نوک های 3 و 5 مورد بررسی قرار گرفته اند. تمامی نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده و تطابق خوبی را نشان می دهند. با توجه به نتایج به دست آمده، با افزایش سرعت جریان آزاد باد، ماکزیمم مقدار ضریب مومنتوم در زوایای بزرگ تری اتفاق می افتد. همچنین با کاهش نسبت سرعت نوک، به دلیل نفوذ حجم هوای بیشتر به درون روتور، میزان نوسانات افزایش یافته و در نتیجه عمر مفید اجزای روتور و راندمان توربین باد کاهش می یابد. همچنین، تاثیر نسبت سرعت نوک در راندمان توربین باد چشمگیرتر از تاثیر سرعت جریان آزاد باد می باشد به طوری که با افزایش نسبت سرعت نوک از 3 به 5 در سرعت جریان باد ثابت 10 متربرثانیه، ضریب توان 87/81 % و با افزایش سرعت جریان آزاد باد از 5 به 10 متربرثانیه در نسبت سرعت نوک ثابت 3، ضریب توان 2/58 % افزایش می یابد.
کلیدواژگان: توربین باد، سرعت جریان باد، دنباله، ضریب توان -
صفحات 1729-1744
بهبود عملکرد کمپرسور محوری از طریق کاهش شدت اغتشاشات جریان، ناشی از اعمال انسداد در ورودی آن، به کمک تزریق هوا در نوک ردیف پره موضوع مطالعه حاضر می باشد. روش کار تجربی و بر مبنای اندازه گیری های آزمایشگاهی در یک کمپرسور سرعت پایین با روتور منفرد انجام شده است. بر این اساس 4هندسه گرفتگی با درصد انسدادهای متفاوت، از 5 تا 20 درصد سطح ورودی کمپرسور را مسدود کرده و فشار استاتیک جریان روی پوسته کمپرسور به صورت میانگین و لحظه ای در نقاط مختلف ثبت گردیده است. تحلیل فرکانسی سیگنال های خام فشار، پدید آمدن اغتشاشاتی در میدان جریان را به واسطه حضور گرفتگی ها نشان می دهد. این اغتشاشات در انسدادهای با درصد کمتر (5 و10 درصد) منجر به ظهور استال دورانی زودرس در کمپرسور می شود. در ادامه با هدف کاهش اثرات مخرب گرفتگی جریان، هوای پرفشار از طریق 12 انژکتور که به صورت یکنواخت پیرامون محیط کمپرسور تعبیه شده اند، در ناحیه درز نوک ردیف پره تزریق گردیده است. تزریق هوا به میزان اندک 1/5% از طریق انژکتورها تاثیر قابل ملاحظه ای بر بهبود عملکرد کمپرسور تحت انسداد جریان در ورودی دارد. نتایج حاکی از بهبود عملکرد کمپرسور در قالب افزایش فشار تحویلی روتور تا 35% نسبت به شرایط عدم اعمال تزریق هوا می باشد. همچنین با به کارگیری ابزار تبدیل فوریه زمان کوتاه، تاثیر تزریق هوا بر حذف یا کاهش اغتشاشات در گرفتگی های با درصد انسداد مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.
کلیدواژگان: کمپرسور محوری، تزریق هوا در نوک ردیف پره، انسداد ورودی جریان، تبدیل فوریه زمان کوتاه، ناپایداری های آیرودینامیکی -
صفحات 1745-1766
دراین پژوهش، به تحلیل حرکت حرکت سیال غیر نیوتنی سودوپلاستیک جهت تخمین پارامتر های جریان مانند سرعت وتوزیع فشار و پیش بینی رفتار دینامیکی سیال و پایداری جریان در شکاف باریک بین دو استوانه پرداخته شده است. مطالعه ی حاضر با شرط سکون استوانه خارجی وحرکت توامان چرخشی ومحوری استوانه داخلی، صورت گرفته است. ویسکوزیته ی سیال غیر نیوتنی با مدل کرو-برد به نرخ برش وابسته بوده و از معادلات حاکم شامل معادلات پیوستگی وممنتوم در سیستم استوانه ای برای بدست آوردن میدان سرعت وفشار حل شده است. نتایج بدست آمده حاکی است افزایش عدد رینولدز محوری به افزایش بی نظمی در سیال منجر شده .دراین پژوهش، به تحلیل حرکت حرکت سیال غیر نیوتنی سودوپلاستیک جهت تخمین پارامتر های جریان مانند سرعت وتوزیع فشار و پیش بینی رفتار دینامیکی سیال و پایداری جریان در شکاف باریک بین دو استوانه پرداخته شده است. ویسکوزیته ی سیال غیر نیوتنی با مدل کرو-برد به نرخ برش وابسته بوده و از معادلات حاکم شامل معادلات پیوستگی وممنتوم در سیستم استوانه ای برای بدست آوردن میدان سرعت وفشار حل شده است. نتایج بدست آمده حاکی است افزایش عدد رینولدز محوری به افزایش بی نظمی در سیال منجر شده و همچنین افزایش شاخص غیر نیوتنی سیال نیز به ناپایداری و بی نظمی جریان بین دو استوانه منجر شده است.
کلیدواژگان: سیال غیرنیوتنی، تیلور- کوئت، مدل کارو- برد، روش گالر کین، گردابه های تیلور -
صفحات 1767-1782
فعالیت و سوخت وساز سلول های بدن به شدت وابسته به تامین پیوسته و کافی اکسیژن از طریق جریان خون می باشد. تحت شرایط مختلفی از جمله گرفتگی شریان ها، خونرسانی و اکسیژن رسانی به سلول ها می تواند تحت تاثیر قرار گیرد. در پژوهش حاضر به بررسی عددی انتقال اکسیژن در دیواره یک مدل دقیق از شریان کرونر چپ به همراه دو شاخه اصلی در حالت بدون گرفتگی و درصدهای گرفتگی 75% و 84% پرداخته شده است. شبیه سازی ها با فرض جریان غیر نوسانی، سیال نیوتونی و دیواره صلب انجام شده است. در ابتدا به منظور صحت سنجی نتایج، توزیع غلظت اگسیژن درون رگ و همچنین در بافت رگ در یک حالت ساده با یکی از مراجع در این زمینه مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که به دلیل وجود انحنا، نیروهای گریز از مرکز و جریان ثانویه شکل می گیرد که در نتیجه ی آن کاهش قابل ملاحظه انتقال جرم اکسیژن به دیواره در سمت انحنای داخلی رگ در مقایسه با دیواره در سمت انحنای خارجی دیده می شود. گرفتگی های رگ باعث به وجود آمدن نواحی با غلظت کم اکسیژن می شود و کمترین مقدار فشار جزیی در حدود 3 تا 4 میلی متر جیوه در مکان های مختلف تغییر می کند که احتمال رخ دادن هایپوکسیا در این نواحی زیادتر می شود. نتایج نشان می دهد که با افزایش و کاهش 8/12درصدی برای پارامتر P50 تاثیر بسیار ناچیزی بر توزیع غلظت اکسیژن در دیواره ی رگ و داخل رگ دارد.
کلیدواژگان: گرفتگی رگ کرونر چپ، انتقال جرم اکسیژن، شاخه ی نزولی قدامی، سیرکومفلکس، فشار جزئی اکسیژن -
صفحات 1783-1815
در مقاله حاضر به بررسی اثر اعمال دمش در سیلندر بر ساختار جریان و نویز ناشی از آن در یک سیلندر ایرفویل پرداخته شده است. بدین منظور شبیه سازی جریان حول سیلندر-ایرفویل با استفاده از معادلات URANS و با بکارگیری مدل توربولانسی k-ω-SST انجام شده است. از آنالوژی FW-H برای پیش بینی نویز ناشی از جریان استفاده گردیده است. از آنجا که انتشار دوره ای گردابه و برخورد آن بر لبه حمله ایرفویل از جمله مکانیزم های اصلی تولید نویز می باشد، کاهش این اثرات می تواند باعث کاهش انتشار آکوستیک گردد. بنابراین در تحقیق حاضر، برای کنترل جریان و کاهش نویز از روش کنترلی فعال دمش در سیلندر با نرخ های جریان مختلف در سیلندر استفاده گردیده است به نحوی که شدت دمش (I) (یعنی نسبت سرعت دمش به سرعت جریان آزاد ورودی) از 1/0 تا 5/0 متغیر است. نتایج نشان می دهند که افزایش شدت دمش از 0 تا 5/0 (I=0-0.5) موجب کاهش نویز دریافتی از سیلندر به میزان 90٪ و کاهش نویز ایرفویل و سیلندر-ایرفویل به میزان 64٪ می گردد. بررسی ساختار جریان حکایت از آن دارد که با اعمال دمش گردابه های تشکیل شده در ناحیه دنباله سیلندر تضعیف گردیده و نوسانات فشار سطح کاهش می یابد که این امر به کاهش نویز آیرودینامیکی منجر می گردد. بعلاوه با اعمال دمش نیروی برآ ایرفویل افزایش و نیروی پسا سیلندر کاهش یافته است که از نظر آیرودینامیکی مطلوب است.
کلیدواژگان: آیروآکوستیک، کاهش نویز، سیلندر-ایرفویل، دمش، کنترل جریان -
صفحات 1799-1814
انتخاب زاویه ی پیوند مناسب برای ایجاد فیستول برای جراحان از اهمیت بالایی برخوردار است؛ بنابراین در این پژوهش سه زاویه ی پیوند 45، 90 و 135 درجه به نمایندگی زوایای حاده و منفرجه، طراحی و در یک سیکل کامل قلبی شبیه سازی و مورد بررسی قرار گرفتند. در این پژوهش، از مدل خون غیر نیوتونی کاریو استفاده شده و جریان تراکم ناپذیر در نظر گرفته شد و در نهایت پس از مدل سازی، پارامترهای مهم همانند TAWSS، OSI، RRT و بیشینه ی افت فشار استخراج شده و در زوایای مختلف مقایسه شدند. پس از بررسی و مقایسه ی بین نتایج مشاهده شد که تنش برشی میانگین و همچنین ناحیه ی درگیر در تنش برشی بالا در زاویه ی پیوند 135 درجه نسبت به دو زاویه ی دیگر کمتر است و احتمال بروز بیماری ترومبوز و زخم در این زاویه کاهش می یابد. از آنجایی که %80 علت ناکارآمد شدن فیستول ناشی از بیماری ترومبوز می باشد؛ بنابراین این زاویه به عنوان زاویه ی مناسب تری برای ایجاد فیستول انتخاب می شود. با توجه به نتایج مربوط به RRT که مناطق مستعد رسوب را نشان می دهد مشخص شد که در هر سه زاویه ی پیوند، شاخه ی سمت راست فیستول و نواحی جدایش جریان مستعد گرفتگی می باشند و احتمال رسوب در پیوند 135 درجه و در زیر محل پیوند نسبت به دو زاویه ی دیگر کاهش می یابد. همچنین این زاویه کمترین افت فشار را بین ورودی اصلی و خروجی فیستول دارد.
کلیدواژگان: همودیالیز، زاویه ی پیوند فیستول، ترمبوز، سیکل ضربانی قلب، گرفتگی -
صفحات 1815-1838
در این تحقیق یک شبیه سازی عددی بصورت دوبعدی با استفاده از روش تنظیم سطح دوفازی برای بررسی تاثیر نرخ جریان ورودی فاز پیوسته در فرآیند تولید میکروقطره انجام شده است. تحلیل فرآیند تشکیل میکروقطرات در یک میکروکانال T-شکل برای جریان دوفازی مایع/مایع امتزاج ناپذیر صورت گرفته است. معادلات حاکم بر میدان جریان توسط روش المان محدود گسسته سازی و حل شده اند. نتایج عددی بدست آمده با داده های تجربی موجود در ادبیات فن اعتباردهی شده است، که نشان دهنده ی مطابقت قابل قبولی می باشد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که نرخ جریان ورودی فاز پیوسته تاثیر بسزایی بر روی اندازه قطرات تولید شده دارد. مطالعات انجام شده حاکی از آن است که نمودار فشار در نقطه ی تلاقی دو کانال عمودی و افقی تعداد قطرات تشکیل شده و مراحل سه گانه ی تشکیل قطره را نشان می دهد. همچنین، بررسی های انجام شده بر روی توزیع فشار و گرادیان سرعت در کانال اصلی این نکته را بیان می دارد که اختلاف فشار جلو و پشت قطره و نیروی برشی ناشی از ویسکوزیته دو نیروی موثر در تشکیل قطره می باشند که در این بین تاثیر نیروی ناشی از اختلاف فشار دو سمت قطره بیشتر است. نهایتا این نتیجه حاصل شد که با افزایش مقدار دبی ورودی فاز پیوسته نیروی لازم جهت غلبه بر کشش سطحی نیز افزایش یافته و قطرات بیشتری با اندازه کوچکتر در مدت زمان کمتری تولید می شوند.
کلیدواژگان: فناوری میکروسیالی، جریان دوفازی، تشکیل قطره، روش تنظیم سطح، میکروکانال T-شکل -
صفحات 1839-1860
یکی از مرسوم ترین روش های مدلسازی جریان و انرژی در ساختمان، روش چند ناحیه ای می باشد. مشکل اساسی این روش عدم توانایی در ارایه اطلاعات جزیی و دقیق از خصوصیات جریان هوا در دامنه حل است. برای دستیابی به اطلاعات جزیی تر جریان هوا می توان از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) استفاده نمود که زمان محاسبات طولانی آن کاربرد این روش را محدود می سازد. بنابراین نیاز است از روشی با سرعت محاسبات بالا همراه با توانایی ارایه جزییات جریان هوا با دقت کافی استفاده نمود. برای این منظور در این پژوهش روش دینامیک سیالات سریع (FFD) که دارای یک الگوریتم حل بدون قید و شرط پایدار می باشد ارایه شده است. برای بررسی کارایی روش FFD چهار مسئله نمونه جریان درون حفره، جریان درون کانال، جریان با جابجایی طبیعی و جریان با جابجایی اجباری مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن ها با داده های آزمایشگاهی و یا نتایج تحلیلی و همچنین نتایج CFD مقایسه و صحه گذاری شده است. تمرکز اصلی این پژوهش، افزایش سرعت الگوریتم حل به روش FFD می باشد. برای این منظور زنجیره حل معادلات اصلاح شده و از روش عددی مناسب برای حل معادلات استفاده شده است. زمان شبیه سازی مسایل فوق با بکارگیری حلگر FFD ارایه شده، بین 52 تا 94 درصد نسبت به روش CFD کاهش یافته است و شبیه سازی آن ها به صورت سریعتر از زمان واقعی بر روی یک سیستم کامپیوتری معمولی میسر شده است.
کلیدواژگان: دینامیک سیالات سریع، دینامیک سیالات محاسباتی، شبیه سازی جریان و انرژی، تهویه. -
صفحات 1861-1882
پدیده ناپایداری جریان دو فاز در بسیاری از حوزه های کاربردی نظیر توربوماشین ها، سیستم های تبرید، راکتورهای آب جوشان و مبدل های حرارتی دوفاز مشاهده می شود. پیش بینی پارامترهای جریان سیال مانند افت فشارو محدوده پایداری در خلال نوسانات، عوامل تعیین کننده ای در طراحی و شرایط کارکرد تجهیزات جریان دوفازی است. در این مقاله ناپایداری جریان سیال دوفاز در فرایند جوشش مورد تحلیل قرار می گیرد. با معرفی مشخصه های مناسب، یک مدل جامع و نسبتا ساده جهت بیان افت فشار در خلال فرایند پایا به دست آمده است. این مدل و اعداد بی بعد تعریف شده درک بهتری از تاثیر پارامترهای مختلف بر سیستم و نوسانات ارایه داده است. با تحلیل پایداری لیاپانوف، شرایط بروز ناپایداری بر حسب کمیات وابسته فرایند حاصل شده اند. تاثیر پارامترها بر شکل منحنی افت فشار بر حسب سرعت جرمی و وجود نقاط اکستریمم مورد بحث قرار گرفته اند. شکل نوسانات بر حسب مقدار پارامتر اساسی میرایی نوسان، از یک مدار بیضوی تا یک چهار گوش منطبق بر منحنی افت فشار، تغییر می کند . با حل مدل غیرخطی سیستم، تغییرات دوره تناوب نوسانات حاصل از ناپایداری مورد بررسی و ارتباط آن با پارامترهای تعریف شده سیستم بحث و تحلیل شده اند. دوره کارکرد نوسانات برای فشارهای کار کردبالا تابعی از چگالی مایع و هندسه کانال حرارتی است و برای حجم فشرده بالا ، با کاهش نرخ جرمی ورودی در شرایط ناپایدار این مشخصه افزایش می یابد
کلیدواژگان: جریان دوفاز، ناپایداری، جوشش، افت فشار، دینامیک غیرخطی -
صفحات 1883-1896
در پژوهش حاضر، جوشش هسته ای استخری مبرد R-245fa در شرایط اشباع روی یک لوله ی افقی در فشار kPa 8/123 و دمای °C 20 تحت شارهای حرارتی مختلف (بین kW/m2 18 تا 27) به صورت عددی شبیه سازی شده و جزییات جریان در آن مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه سازی عددی توسط مدل چندفازی حجم سیال با بازسازی هندسی سطح مشترک، بدون ایجاد هسته ی حباب های اولیه توسط مدل تغییر فاز لی و مدل کشش سطحی نیروی سطحی پیوسته صورت پذیرفته است. اهمیت این مطالعه و ایجاد این مدل عددی، علاوه بر اهمیت صنعتی جوشش استخری در طراحی رآکتورهای هسته ای و اواپراتورهای مغروق در سیال، در اعتبارسنجی مدل عددی در پیش بینی سهم جوشش در جریان های اجباری فیلم ریزان یا بالارونده روی لوله یا دسته لوله ی افقی است. ضریب انتقال حرارت جابه جایی مدل عددی ایجاد شده در مقایسه با داده های تجربی در دو شار حرارتی kW/m2 18 و 24، حداکثر 67/6% خطا داشته و در مقایسه با رابطه ی جوشش کوپر در شارهای حرارتی kW/m2 18 تا 27، حداکثر 64/8% متفاوت است. علاوه بر این، در این بررسی، روند حباب زایی و کنده شدن حباب ها از دیواره ی لوله و مایع مافوق اشباع کناره ی آن، دمای مایع و حباب و نحوه ی حرکت جریان تحت اثر حباب های ایجاد شده در اطراف لوله مورد مطالعه قرار گرفته است.
کلیدواژگان: جوشش استخری، حباب زایی، ضریب انتقال حرارت، شبیه سازی عددی، روش حجم سیال -
صفحات 1897-1914
در این مقاله، انتقال حرارت جریان جابجایی اجباری نانوسیال در یک کانال حلقوی با موانع متخلخل بر روی دیواره های داخلی و خارجی به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. نانوسیال با استفاده از مدل مخلوط دوفازی و جریان در ناحیه متخلخل بوسیله مدل دارسی-برینکمن-فرچهیمر شبیه سازی شده است. جریان سیال به صورت آرام، پایا، دوبعدی متقارن محوری و تراکم ناپذیر فرض می شود. همچنین محیط متخلخل یکنواخت و همگن بوده و خواص فیزیکی نانوسیال و محیط متخلخل ثابت فرض می شود. معادلات حاکم با استفاده از روش حجم محدود و الگوریتم سیمپل حل شده اند. اثر پارامترهایی نظیر عدد دارسی، ارتفاع و ضخامت مانع متخلخل، نسبت هدایت حرارتی ناحیه متخلخل به سیال و کسرحجمی نانوذرات بر روی میدان جریان و انتقال حرارت و افت فشار بررسی شده است. نتایج نشان می دهد استفاده از موانع متخلخل در مسیر جریان منجر به تغییرات قابل ملاحظه ای در مشخصه های جریان و انتقال حرارت می شود. کاهش اعداد دارسی و رینولدز منجر به ایجاد گردابه در پشت موانع می شود که این گردابه ها تاثیر بسزایی بر روی انتقال حرارت دارند. با کاهش عدد دارسی انتقال حرارت به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. همچنین افت فشار شدیدی را در جریان ایجاد خواهد کرد. افزایش نسبت هدایت حرارتی ماتریس جامد به سیال باعث افزایش ناسلت محلی دیواره در ناحیه موانع خواهد شد که این افزایش در نفوذپذیری های بالا قابل توجه تر خواهد بود. با افزایش ارتفاع موانع متخلخل ضخامت لایه مرزی کاهش پیدا کرده و انتقال حرارت جابجایی افزایش می یابد.
کلیدواژگان: انتقال حرارت، نانوسیال، مخلوط دوفازی، مانع متخلخل، مدل دارسی-برینکمن-فرچهیمر -
صفحات 1915-1936
در تحقیق حاضر، رویکرد جدید ADI-CEIDD با ترکیب روش ضمنی جهت متغیر و روش تقسیم دامنه صریح-ضمنی برای حل معادله انتقال حرارت هدایت دو بعدی روی پردازنده گرافیکی ارایه شده است. در این روش تخمین مقادیر مرزی با یک طرح عددی صریح صورت گرفته و برای حل درون زیردامنه ها از یک طرح ضمنی برمبنای روش ADI استفاده می شود. سپس از یک طرح ضمنی برای تصحیح مقادیر روی مرز استفاده می شود. در این روش تعداد دستگاه معادلات مستقل افزایش یافته و نخ های بیشتری برای پنهان کردن تاخیر حافظه فعال می شوند. همچنین، آزمایش عددی برای تحلیل دقت و سرعت روش به انجام رسیده است. نتایج تحقیق نشان می دهد که با تقسیم دامنه در روش ADI-CEIDD می توان سرعت حل را بین 3/1 تا 6/2 برابر در مقایسه با روش ADI افزایش داد. در روش ارایه شده با افزایش تعداد تقسیمات دامنه از 2 به 32 سرعت روش ارایه شده تا 6/1 برابر افزایش و دقت پاسخ کاهش می یابد. خطای روش ارایه شده از روش ADI بیشتر است با این حال آزمایش های عددی نشان دهنده پایداری بالای روش ارایه شده است. همچنین نتایج نشان می دهد که مزیت روش ADI-CEIDD در اندازه شبکه های کوچک بیشتر از اندازه شبکه های بزرگ است بگونه ای که با افزایش اندازه شبکه از 256*256 به 512*512 مقدار پارامتر افزایش سرعت از 4/2 به 7/1 کاهش می یابد.
کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، پردازش موازی، پردازنده گرافیکی، حلگر ضمنی جهت متغیر، تقسیم دامنه صریح-ضمنی -
صفحات 1937-1962
در مقاله ی حاضر، شبیه سازی جریان آرام و انتقال حرارت جابجایی طبیعی نانوسیال 〖Fe〗_3 O_4- آب در یک محفظه ی دایروی به صورت عددی و به روش بونجیورنو انجام شده است. یک لایه ی متخلخل به دیواره ی داغ محفظه جاگذاری شده و اعمال میدان مغناطیسی یکنواخت موجب ایجاد اثرات مگنتوهیدرودینامیکی در محفظه شده است. تمامی معادلات به صورت بی بعد حل شده و اثر وجود لایه ی متخلخل بر روی افزایش انتقال حرارت جریان نانوسیال مطالعه گردیده است. پارامتر های کنترلی در این مطالعه شامل عدد دارسی (1e-6 ≤Da≤1e-1)، زاویه ی اعمال میدان مغناطیسی (0≤γ≤90)، عدد هارتمن (0≤Ha≤200)، ضریب انتقال حرارت هدایتی موثر لایه ی متخلخل (10≤k_eff≤100)، عدد رایلی (1e3≤Ra≤5e5)، پارامتر های هندسی نظیر ضخامت لایه ی متخلخل (0.01 ≤t_Layer≤0.09) و زاویه ی مرکزی محفظه (0≤θ≤90) می باشد. نتایج بدست آمده وابستگی عدد ناسلت به پارامتر های کنترلی را نشان می دهد. بر اساس نتایج بدست آمده، با تغییر عدد دارسی، عدد ناسلت میانگین تغییر یافته و مقدار مشخصی از عدد دارسی وجود دارد که کمتر از آن مقدار، جاگذاری لایه ی متخلخل موجب کاهش انتقال حرارت می گردد. با این وجود، با افزایش عدد هارتمن که موجب اعمال نیروی لورنتس می شود، عدد ناسلت کاهش خواهد یافت زیرا مومنتوم جریان سیال و بنابراین انتقال حرارت جابجایی در داخل محفظه کاهش می یابد.
کلیدواژگان: محفظه ی دایروی، نانوسیال، لایه ی متخلخل، مگنتوهایدرودینامیک، روش دوفازی بونجیورنو -
صفحات 1963-1980
امروزه موضوع افزایش انتقال حرارت، توجه زیادی از محققین را برای توسعه انواع مبدل های حرارتی به منظور دستیابی به راندمان بالا، هزینه پایین، وزن سبک و ابعاد کوچکتر، به خود جلب کرده است، در مقاله حاضر با تعبیه مولد گردابه و حفره و جایابی مناسب موقعیت آن ها روی پره ذوزنقه ای، ضریب انتقال حرارت و افت فشار مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور مدل سازی عددی جریان سیال آب در یک کانال مستطیلی در دو رژیم آرام و آشفته و برای 5 مدل با موقعیت های مختلف قرارگیری مولد گردابه و حفره برای پارامترهای هندسی در اندازه ثابت صورت گرفته است. نتایج نشان داد که در هر دو رژیم جریان، با قرارگرفتن حفره در بالا و پایین، افت فشار افزایش می یابد. به منظور انجام مقایسه بهتر بین این موقعیت ها، نسبت ضریب کالبرن به ضریب اصطکاک به دو صورت ساده و توانی تعریف و به کار برده شد و بهترین عملکرد هیدرولیکی- حرارتی برای پره ذوزنقه ای با وجود مولد گردابه در راست و همزمان حفره در وسط، به دست آمد به طوری که در رژیم جریان آشفته، بیشترین مقدار برای نسبت ضریب کالبرن به ضریب اصطکاک (نسبت ساده و نسبت توانی آن) به ترتیب برابر با 0539/0 و 01504/0 برای این موقعیت گزارش شد.
کلیدواژگان: پره ذوزنقه ای، موقعیت مولد گردابه و حفره، افت فشار، ضریب انتقال حرارت، عملکرد هیدرولیکی- حرارتی -
صفحات 1981-2000
در مطالعه حاضر انتقال حرارت و افت فشار جریان هوا در داخل کانال مربعی با دندانه های دارای سوراخ به شکل تجربی بررسی می شود. این فرضیه که ایجاد سوراخ می تواند به از بین بردن یا کاهش اثر مخرب ناحیه ی کم فشار در پشت دندانه تاثیر بگذارد و در نتیجه میزان افت فشار را کاهش دهد مورد واکاوی قرار گرفت. رینولدز بین 15000 تا 50000 در نظر گرفته شد. نسبت ارتفاع دندانه به قطر هیدرولیکی کانال 0.11 و 0.14 و نسبت گام دندانه به قطر کانال در مقادیر 20، 25 و 30 بررسی شدند. نسبت قطر سوراخ به ارتفاع دندانه نیز 3/0 و 5/0 است. نتایج نشان می دهند با ایجاد سوراخ در دندانه، افت فشار کاهش پیدا کرد، اما در عین حال مقدار ناسلت نیز کاهش یافت. تاثیر ایجاد سوراخ در دندانه در نسبت گام کوچکتر بیشتر مشهود و نامطلوب است. از طرف دیگر، ایجاد سوراخ در ارتفاع های بلندتر باعث بهبود عملکرد حرارتی می شود. میزان بهبود در رینولدزهای پایین بیشتر است. ضریب عملکرد در بهترین حالت تا 17% افزایش یافت. در مواردی که مقادیر گام دندانه ها بیشتر است، نتایج نشان می دهند در کاربردهایی که نیاز به کاهش دمای دیواره یا افزایش انتقال حرارت اولویت دارد و مصرف انرژی دمنده دارای اهمیت کمتری است با استفاده از دندانه های دارای سوراخ، می توان عملکرد سیستم مربوطه مانند توربین گاز یا گرمکن خورشیدی را تا حد قابل توجهی افزایش داد.
کلیدواژگان: انتقال حرارت جابه جایی، کانال مربعی، دندانه دارای سوراخ، افت فشار، گرمکن هوای خورشیدی -
صفحات 2001-2012
در پژوهش حاضر به مطالعه تجربی تولید بخار خورشیدی با استفاده از چوب درخت کاج پرداخته می شود. ویژگی های منحصر به فرد چوب نظیر تخلخل بالا، آب دوستی، سبکی و ضریب هدایت حرارتی پایین باعث شده است تا جهت محلی سازی نور در سطح آب و تولید بخار خورشیدی در این پژوهش مورد توجه قرار گیرد. برای این منظور در گام نخست به مقایسه بخار تولیدی آب و چوب درخت کاج که قادر است در سطح آب شناور باشد، پرداخته می شود. نتایج نشان می دهد استفاده از چوب معمولی به عنوان غشاء سطحی باعث بهبود فرایند تبخیر می شود به طوری که نرخ تبخیر آن 3/26 درصد در مقایسه با نرخ تبخیر آب افزایش می یابد. به منظور افزایش جذب نور و نرخ تبخیر، سطح چوب توسط یک صفحه ی داغ فلزی با دمای 400 درجه سانتی گراد کربنیزه می شود. علاوه بر این ضخامت بهینه چوب و نیز اثر مدت زمان فرایند کربنیزاسیون در نرخ تبخیر مورد مطالعه قرار می گیرد. نتایج تبخیری نشان می دهد که ضخامت بهینه چوب 10 میلیمتر و زمان کربنیزه 150 ثانیه می باشد. به طوری که استفاده از چوب کربنیزه با این ویژگی نرخ تبخیر را نسبت به آب تا 86/1 برابر افزایش و بازده تبخیری 2/64 درصد را به خود اختصاص می دهد.
کلیدواژگان: تبخیر سطحی، بخار خورشیدی، فرایند کربنیزاسیون، بازده تبخیری -
صفحات 2013-2030
این تحقیق، افزایش راندمان حرارتی آبگرمکن مخزن دار گازسوز را به صورت تجربی بررسی می کند. برای این کار، از شش مانع جهت کاهش سرعت حرکت گازهای خروجی احتراق در تنوره آبگرمکن استفاده شد. با قرار دادن 6 مانع در داخل تنوره، از خروج سریع گازهای حاصل از احتراق جلوگیری به عمل آمد. سه مانع از نظر هندسه و ابعاد تقریبا مانند هم و سه مانع از نظر هندسه و ابعاد متفاوت هستند. همچنین، فاصله بین موانع یکسان در نظر گرفته شد. هندسه و ابعاد موانع از روی بررسی های تجربی انتخاب شدند. نتایج تجربی نشان دادند که در صورت استفاده از هندسه، ابعاد و ترتیب بهینه برای موانع، راندمان حرارتی تا 5/82 درصد افزایش می یابد. همچنین، نتایج اندازه گیری تحلیل گر گاز در آزمایشگاه، نشان داد که با بهبود راندمان حرارتی، گازهای آلاینده در خروجی دودکش نیز تقریبا در کمترین مقدار ممکن قرار داشتند. در نهایت، با در نظر گرفتن کمیت های تاثیرگذار بر روی عدم قطعیت راندمان حرارتی، با لحاظ سطح اطمینانی تقریبا برابر 95 درصد، عدم قطعیت کل برای راندمان حرارتی مدل بهینه نهایی عدد 17/0± محاسبه گردید.
کلیدواژگان: آبگرمکن مخزن دار گازسوز، مانع، راندمان حرارتی، آزمون تجربی -
صفحات 2031-2052
در این پژوهش، مراحل طراحی و ساخت یک دستگاه پیل سوختی غشای پلیمری شفاف با هدف فراهم ساختن امکان مشاهده و مطالعه پدیده طغیان در کانال های جریان دو سمت آند و کاتد با استفاده از تکنیک عکس برداری مستقیم، شرح داده شده است. در طراحی پیل ابتدا چالش های پیش روی ساخت شناسایی و در ادامه پیل طراحی شده شبیه سازی گردیده است. در گام نخست طراحی، ضمن بیان ضوابط و محدودیت های تکنیکی ساخت این دسته از پیل های سوختی، راهکارهای اجرایی در راستای غلبه بر این چالش ها ارایه و بر مبنای آن ها جنس و پارامترهای ابعادی کلیه قطعات تعیین گردیده است. در مرحله دوم طراحی، عملکرد پیل بصورت پایا و دوفازی در نرم افزار انسیس فلوینت شبیه سازی و منحنی قطبیت استخراج شده است. پس از ساخت قطعات، شرح کامل مراحل راه اندازی پیل بیان گردیده است. در مرحله راه اندازی، بدلیل تاثیر گشتاور پیچشی پیچ ها بر نشتی، طول عمر و عملکرد پیل، این پارامتر به کمک منحنی قطبیت بهینه سازی شده است. نتایج حاصل بیانگر مقدار گشتاور پیچشی بهینه برابر برای هر پیچ در پیل ساخته شده می باشد. در ادامه به منظور صحت سنجی مدل عددی، در شرایط عملیاتی مشابه، نمودار قطبیت آن با نمودار قطبیت پیل ساخته شده مورد مقایسه قرار گرفت. خطای %87/6 این مقایسه نشان دهنده دقت مناسب روش عددی است. در انتها نیز از کانال های جریان سمت کاتد عکس برداری صورت پذیرفت و با استفاده از روش پردازش تصویر، آب انباشته شده در کانال های جریان شناسایی گردید.
کلیدواژگان: پیل سوختی غشاء پلیمری، طراحی و ساخت، مدیریت آب، دینامیک سیالات محاسباتی، پردازش تصویر دیجیتال
-
Pages 1697-1708
Effects of flapping on lift and thrust forces in a 3D flapping wing has been investigated at low Reynolds numbers and several reduced frequencies, using experimental tests in a subsonic wind tunnel. Tests has been performed at Reynolds numbers 42000 to 170000 and reduced frequencies 0 to 0.45 that most birds flight at this ranges. Also the ranges of angle of attacks are between 0°-24°. Results has shown that increase of reduced frequency can enhance the lift force by up to 100 percent and in some cases reduce drag force to zero. Furthermore increment of reduced frequency has caused delay at stall of wing. Also by increasing the Reynolds number from 42000 to 86000, major region of the boundary layer of wing surface becomes turbulent, so maximum lift force increases by 40 percent. Wind tunnel test results show that the effect reduced frequency on the lift force was dependent on the angle of attack, so at the lower attack angles, the increase of reduced frequency did not affect the lift coefficient, but, with increment in angle of attack, the positive effect of the reduced frequency on the coefficient of the lift force increased.
Keywords: Flapping Wing, Low Reynolds Numbers, Wing Aerodynamics, Subsonic Flow, Micro Air Vehicle -
Pages 1709-1728
In the present study, effects of various parameters on the simulation of flow around an H-type vertical axis wind turbine with NACA0018 airfoils is studied. All computations are carried out by computational fluid dynamics method using finite volume approach. Free-wind velocities of 5, 10 and 15 m/s and tip speed ratios of 3 and 5 are considered. All obtained results are compared with experimental data and show good agreement. Examination of obtained results reveal that by increasing free-wind velocity, maximum momentum coefficient occurs at higher azimuth angles. Also, by reducing tip speed ratio, fluctuations in the rotor due to the penetration of more volume of air into the rotor increase, thus lifecycle and performance of wind turbine reduce. Furthermore, the effect of tip speed ratio on the performance of wind turbine is more significant than free-wind velocity so that by increasing tip speed ratio from 3 to 5 at a constant velocity of 10 m/s, power coefficient increases by 81/87% and by increasing free-wind velocity from 5 to 10 at a constant tip speed ratio of 3 power coefficient increases by 58.2%.
Keywords: Wind Turbine, Free-Wind Velocity, Vorticity, Power Coefficient -
Pages 1729-1744
Improvement of an axial compressor performance through suppression of flow disturbances due to inlet flow blockage, utilizing air injection at the blade tip region, is the subject of the present study. Method of investigation is based on experimental measurements conducted in a low speed isolated axial compressor rotor blade row. Four different blockage screens of different blockage ratios ranged between 5 and 20 percent of the inlet area are located at the compressor entrance. Instantaneous and time-averaged static pressure are recorded at different locations of compressor casing. Frequency analyses of pressure signals, show that the flow disturbances are being created in the presence of the blockage screens. These disturbances cause to appearance of rotating stall in the flow field when the compressor operates under distorted inflow with low blockage ratios (5 and 10%). To reduce the destructive effects of the inlet distortion, air is injected at the tip region of the rotor through 12 injectors which are located evenly spaced around the compressor circumference. Air injection in small quantities, 1.5% of main flow, has considerable effects on the compressor performance under inlet distortion. The rotor performance and compressor delivery pressure is improved up to 35% than to the no injection case. By implementation of Short-Time Fourier Transform (STFT) technique effects of air injection on elimination or reduction of flow disturbances are demonstrated, too.
Keywords: Axial Compressor, Tip Injection, Inlet Distortion, Short-Time Fourier Transform, Aerodynamic Instability -
Pages 1745-1766
Effects of a controllable axial flow on the stability of rotational flow of pseudoplastic fluids in the gap between concentric cylinders are studied. It is assumed that the outer cylinder is fixed while the inner one has simultaneous and independent rotational and translational motions. The fluid follows the Carreau–Bird model and it imposes mixed boundary conditions. The four-dimensional low-order dynamical system resulting from Galerkin projection of the conservation of mass and momentum equations includes highly non-linear terms in velocity components originating from the shear-dependent viscosity. In the absence of axial flow as the pseudo plasticity effect increases, the critical Taylor number decreases, at which the rotational low loses its stability to the vortex. The appearance of the vortices corresponds to the onset of a supercritical bifurcation, which is also seen in the rotational flow of a Newtonian fluid. The existence of an axial flow induced by the translational movement of the inner cylinder appears to make the vortex flow more evident. Complete flow analysis together with viscosity maps are given for the entire flow field.
Keywords: Taylor, Couette, Shear Thinning, Stability -
Pages 1767-1782
Cellular metabolism is strongly dependent on the sufficient and continuous supply of oxygen. Cellular oxygenation is performed by blood flow. Blood flow and oxygen delivery to cells can be influenced under several conditions such as arterial stenosis. In the present study, the oxygen delivery to the arterial wall of a precise model of the Main Left Coronary artery (LM) and its two main branches for normal artery and stenosis degrees of 75% and 84% is numerically investigated. For all simulations it is assumed that the flow is steady, blood is Newtonian, and the arterial wall is rigid. Transported oxygen by hemoglobin as well as oxygen consumption in the vessel wall are considered for determining the oxygen content in the vascular tissue. The results of oxygen concentration in the lumen and vascular tissue is validated with a benchmark study. The results indicate that, centrifugal forces and secondary flow are formed due to curvature and results in a significant reduction in the mass transfer of oxygen to the myocardial wall relative to the epicardial one. Arterial stenosis results in areas of low oxygen concentration with 3-4 mmHg less than normal artery, that increase the likelihood of hypoxia in these areas. Finally, the results show that 12.8% reduction in P50 does not have a significant effect on the oxygen concentration in the lumen and vascular tissue.
Keywords: Left Coronary Artery Stenosis, Oxygen Mass Transfer, LAD, LCX, Partial Pressure Of Oxygen -
Pages 1783-1815
In this paper, the effect of blowing in a rod on the flow structure and its noise in a rod-airfoil is investigated. To this aim, the simulation of the flow around the rod-airfoil was performed using URANS equations and employing k-ω-SST turbulence model. . The prediction of the flow-induced noise is performed using F-WH analogy. Since Vortex's periodic producing is the main cause of the noise mechanism, by reducing its effect on the airfoil leading edge, the acoustic propagation reduces as well. In the present study, in order to control flow and reduce noise, the blowing active control in the rod has been used. The intensity of the blowing (I) is chosen between 0.1 and 0.5 where I is the ratio of blowing velocity to the inlet freestream flow). The results showed that increasing the blowing intensity to 0.5 reduces the noise emitted from the rod by 90% and the airfoil and rod-airfoil by 64%. In addition, by applying blowing, the lift force is increased and the drag force of the rod is reduced, which is aerodynamic favorable. In addition, the vortex shedding frequency is decreases while blowing applied.
Keywords: Aeroacoustics, Noise Reduction, Rod-Airfoil, Blowing Method, Flow Control -
Pages 1799-1814
Selection the appropriate anastomosis angle for the creation of a fistula for surgery is very important. Therefore, in this study, three anastomosis angles of 45, 90 and 135 degrees, representing acute and obtuse angles, are designed and simulated in a complete pulsation cycle. Carreau non-Newtonian blood model is used and the flow is considered as incompressible flow. Finally, after modeling, important parameters such as TAWSS, OSI, RRT and maximum pressure drop are extracted and compared at different angles. After comparing the results, it is observed that the time average wall shear stress and the range of the high shear stress at anastomosis angle of 135 degree is lower than the two other angles and the probability of thrombosis disease in this angle is reduced. 80% of fistula failure is caused by thrombosis disease, therefor this angle is chosen as the most appropriate angle for fistula creation. Based on the results of the RRT in which are shows areas of sediment, it is found that at all three angles of anastomosis, the right branch of the fistula and flow separation sites have probability of sedimentation and it decreases at angle of 135 degree. This angle also has the lowest pressure drop between the main inlet and the fistula outlet.
Keywords: Hemodialysis, Fistula Anastomosis Angle, Thrombosis, Heart Pulsation Cycle, Atherosclerosis -
Pages 1815-1838
In this study a two-dimensional (2D) numerical simulation using two-phase level set method (LSM) have been carried out to investigate the influence of continuous phase entrance flow rate on the microdroplets generation process. The analysis of the breakup process of microdroplets in immiscible liquid/liquid two-phase flow in T-junction microchannel has been predicted. Governing equations on the flow field have been discretized and solved by using finite element method. Obtained numerical results have been validated by comparing the experimental data reported in literature which show acceptable agreement. The simulation results show that the continuous phase entrance flow rate has a major effect on the size of generated droplets. Studies have shown that pressure diagram of the junction point can reflect the number of formed droplets and the triple stages of droplet formation. Also, Examinations of the pressure and velocity gradient inside the main channel show that the pressure difference of the droplet’s tip and rear and shear force caused by viscosity dominates the droplet formation which the pressure difference between two side of droplet is more effective.
Keywords: Microfluidic Technology, Two-Phase Flow, Droplet Formation, Level Set Method (LSM), T-Shape Microchannel -
Pages 1839-1860
The Multizone model is one of the most popular models for simulating indoor energy and airflow; however, the basic problem of this model is that it cannot provide detailed and accurate airflow characteristics in the computational domain. To obtain the detailed airflow information, CFD model can be used but its high computational cost restricts the applicability of this method. Therefore, it is necessary to develop a model which can provide detailed airflow information with a reasonable accuracy and computational time. In this study, Fast Fluid Dynamics (FFD) method which has an unconditionally stable algorithm is proposed. To investigate the functionality of FFD model, four case studies of flow in a lid-driven cavity, flow in a plane channel, natural flow convention and forced flow convection are analyzed and the results are compared and validated with the results of CFD model, experimental data and analytical solution. The main focus of this study is increasing the simulation speed of FFD algorithm. For this purpose the sequence of equations has been modified and an efficient numerical method has been applied to solve the equations. Using the proposed FFD solver the simulation time of the case studies has decreased between 52 to 94 percent compared to the CFD and a faster than real time simulation has been achieved on a regular computer system.
Keywords: Fast Fluid Dynamics, Computational Fluid Dynamics, Simulation Of Flow, Energy, Ventilation -
Pages 1861-1882
Two-phase flow instabilities are occurred in many systems such as turbo machinery, refrigeration systems, boiling water reactors, two-phase heat exchangers and nuclear reactors. Fluid flow parameters such as pressure drop, stability range in boiling process are the determining factors in design and operation condition of two-phase flow equipment. In this paper, analysis of two-phase flow instability in boiling process is investigated and a simple and comprehensive model is modified to express pressure drop. The defined model and nondimensional numbers give a comprehensive sight of different parameters effect on the oscillations. By using Lyapunov stability analysis, conditions in which instability occurs are identified. The effect of parameters on diagram of pressure drop versus mass flow rate are investigated and the existence of extremum is discussed. The oscillation form varies according to the value of the basic oscillation damping parameter from an elliptical orbit to a quadrilateral, corresponding to the pressure drop curve. In addition, by nonlinear analysis, variation of the oscillation period and amplitude is examined and its relation to the parameter of systems is investigated.
Keywords: Two Phase Flow, Instability, Boiling, Pressure Drop, Nonlinear Dynamic -
Pages 1883-1896
At the present study, nucleation pool boiling of the saturated refrigerant R-245fa on the horizontal tube at pressure of 123.8 kPa and temperature of 20°C under different heat fluxes (18-27 kW/m2) has been simulated numerically and the details of the flow are investigated. Numerical simulation is carried out based on the volume of fluid model with piecewise linear interface construction method, without pre-determined bubbles by Lee phase change model and surface tension model of continuum surface force. The importance of this study and the numerical model, in addition to its industrial applications at nuclear reactors and flooded evaporators, is the model validation at predicting boiling portion of forced falling or climbing flows on horizontal tubes or bundle of tubes. The heat transfer coefficient of the present model, in comparison with the experimental data at two heat fluxes of 18 and 24 kW/m2 and the results of pool boiling Cooper correlation at heat fluxes of 18-27 kW/m2 has the maximum error of 6.67% and 8.64%, respectively. In addition, at this study, bubble nucleation and its departure from the tube wall and superheated liquid beside the wall, liquid and bubble temperature and modality of fluid movement due to the generated bubbles around the tube have been studied.
Keywords: Pool Boiling, Nucleation, Heat Transfer Coefficient, Numerical Simulation, Volume Of Fluid Model -
Pages 1897-1914
In this paper, the heat transfer of the forced convection of nanofluid in a annular porous channel on internal and external walls is numerically investigated. The nanofluid is simulated using the dual phase and flow model in the porous region by the Darcy-Brinkman-Forcheimer model. The fluid flow is considered as two-dimensional, laminar, steady, axi-symmetric axial and incompressible. The porous medium is uniform and homogeneous, and the physical properties of the nanofluid and the porous medium are assumed constant. The governing equations have been solved using the finite volume method and SIMPLE algorithm. The effect of parameters such as Darcy number, porosity barrier height and thickness, thermal conductivity of porous region to fluid and volume fraction of nanoparticles on flow field, heat transfer and pressure drop have been investigated. The results show that the use of porous barriers in the flow path leads to significant changes in the characteristics of flow and heat transfer. Reducing the Darcy and Reynolds numbers leads to the formation of a vortex behind the barriers that have a significant impact on heat transfer. By reducing the Darcy number, the heat transfer increases significantly. It will also cause a severe pressure drop in the flow. Increasing the thermal conductivity ratio of the solid-liquid matrix will increase the local Nasslet number of the wall in the area of the barrier, which will be more significant in the high permeability. Increasing the height of the porous barriers reducing the thickness of the boundary layer and increasing the heat transfer.
Keywords: Heat Transfer, Nanofluid, Two-Phase Mixture Model, Porous Barrier, Darcy-Brinkman-Forcheimer Model -
Pages 1915-1936
In the present study, the new ADI-CEIDD approach is proposed by combining the ADI method with the explicit-implicit domain decomposition method. The method is used for solving the two-dimensional conduction heat transfer equation on GPU .In this method, an explicit numerical scheme is used to predict values at inner boundaries and an implicit scheme based on the ADI method is used to solve the sub-domains. Then, an implicit scheme is used to correct the values on the inner boundary. The present method increases the number of independent sets of equations and enables more threads to occupy the device. Numerical experiments are done to investigate the accuracy and speed of the method. The results show that the ADI-CEIDD can achieve a speedup of 1.3 to 2.6 times compared to the ADI method. By increasing the number of subdomains from 2 to 32, the speed of the proposed method is increased up to 1.6 times and the accuracy decreases. Although the error of the presented method is higher than the ADI method, numerical experiments show high stability of the ADI-CEIDD. Furthermore, the results show that the ADI-CEIDD method is more advantageous to problems with coarse grid. By increasing the grid size from 256 * 256 to 512 * 512, the value of the Sp decreases from 2.4 to 1.7.
Keywords: CFD, Parallel Processing, GPU, ADI Method, CEIDD -
Pages 1937-1962
In the present paper, simulation of laminar natural convection heat transfer of 〖Fe〗_3 O_4 -water nanofluid in a circular enclosure has been carried out numerically using Buongiorno two phase model. A porous layer is inserted into the hot wall of the enclosure and applied constant external magnetic field caused to MHD effect in the cavity. The simulations are performed utilizing two phase model and nanoparticle concentration distribution is presented. All of the equations are solved in dimensionless form. Influence of the porous layer existence on heat transfer enhancement nanofluid flow is studied. The control parameters in this study are Darcy number (1e-6 ≤Da≤1e-1), angle of applied magnetic field (0≤γ≤90), Hartmann number (0≤Ha≤200), effective conductive heat transfer coefficient of porous layer ( 10≤k_eff≤100), Rayleigh number ( 1e3≤Ra≤5e5), geometrical parameters like porous layer thickness (0.01 ≤t_Layer≤0.09) and central angle of cavity (0≤θ≤90). The gained results which are derived in form of plots, contours and streamlines show the dependency of Nusselt number to control parameters. According to the results, any changes in Darcy number causes to Nusselt number variations and also there is a specified Darcy number that heat transfer reduces by increase of Darcy number. Moreover, by increment of Hartmann number, leading to higher Lorentz force, the average Nusselt number will reduce because the momentum of fluid flow and consequently convective heat transfer decrease inside the enclosure.
Keywords: Circular Enclosure, Nanofluid, Porous Layer, Magnetohydrodynamic, Buongiorno Two Phase Model -
Pages 1963-1980
Today, the issue of increasing heat transfer has attracted a great deal of attention from researchers for the development of a variety of heat exchangers to achieve high efficiency, low cost, lightweight. In this paper, the hydrothermal performance is investigated by incorporating vortex generator and hole and their proper positioning on trapezoidal fin. For this purpose, numerical modeling of water flow in a rectangular channel is performed in two laminar and turbulent flow regimes and for 5 models with different positions of vortex generator and hole in constant size geometric parameters. The results showed that in both flow regimes, the pressure drop was increased by inserting the hole on top and bottom. To create a better comparison, the ratio of the Colburn factor to friction factor was defined and applied in two simple and powerful ways and the best hydraulic-thermal performance was obtained for the trapezoidal fin with the vortex generator on the right and the hole in the middle, so that in the turbulent flow regime, the highest value for the ratio of Colburn factor to friction factor (simple ratio and power ratio) was reported as 0.0539 and 0.01504 for this position, respectively.
Keywords: Trapezoidal Fin, Vortex Generator, Hole Position, Pressure Drop, Heat Transfer Coefficient, Hydrothermal Performance -
Pages 1981-2000
The heat transfer and pressure drop of the air flow inside the square channel with perforated ribs are investigated experimentally. The effect of the perforation on the reduction of the low pressure region behind the ribs, and thus reduction in overall pressure drop, is evaluated. The Reynolds number is between 15000 and 50,000. Two values of 0.1 and 0.14 are selected for the ratio of the ribs height to the channel hydraulic diameter and three values of 20, 25 and 30 are considered for the ratio of the ribs pitch to the ribs height. The ratio of the hole diameter to the rib height are 0.3 and 0.5 respectively. It is found that the perforated ribs result in less pressure drop as well as reduced Nusselt number. Moreover, the effect of perforation is found to be unfeasible in the smaller pitch ratios. On the other hand, in long ribs, the perforation improves the performance coefficient up to 17%, the improvement is more evident in low Reynolds. In particular, for applications such as gas turbine or heaters, where the prime concern is to lower the wall temperature or increase the heat transfer and the blower energy consumption is less important, the current results show that using holes in the ribs can effectively enhance the flow thermal performance.
Keywords: Convection Heat Transfer, Square Channel, Perforated Ribs, Pressure Drop, Solar Air Heater -
Pages 2001-2012
In present paper, an experimental study using pine wood in solar steam generation is carried out. The unique properties of wood such as high porosity, hydrophilicity, lightness and low thermal conductivity have led to consider for localizing light on water surface and generating steam in this paper. At the first step, steam generated by water and the pine wood which can float on the water surface was compared. The results showed that the wood as a surface membrane can improve the evaporated mass, so that its evaporation rate increased to 26.3% of water. To enhance the light absorption via wood and evaporation rate, wood’s surface was carbonized with a metal plate in temperature 400°C. In addition, the optimum thickness and the effect of the duration of the carbonization process were tested. According to the results, the optimum thickness of carbonized wood and carbonized time were 10 mm and 150 s respectively. However, the using carbonated wood enhanced the evaporation rate about 1.86 times larger than water and allocated evaporation efficiency of 64.2 % to itself.
Keywords: Surface Evaporation, Solar Steam, Carbonization Process, Evaporation Efficiency -
Pages 2013-2030
In this paper improvement of efficiency of a household gas water heater has been investigated experimentally. For this purpose, six baffles have been used for deceleration of the hot exhaust gases in the middle tube of the water heater. Three of the baffles have almost the same geometry and dimension and the other three are different from geometry and dimension points of view. Also the same distances between the baffles have been considered. The geometry and dimension of the baffles have been chosen by experimental tests. Experimental results show that by employing the optimum geometries and dimension of the baffles and by selecting the optimum arrangement of the baffles, the thermal efficiency of the household gas water heater has been improved and increased up to 82.5 percent. Experimental results also show that by improvement of the thermal efficiency of the household gas water heater, pollutant emissions which have been measured by the gas analyzers at the laboratory remained almost at the lowest level. Finally by taking into account the effective parameters on the uncertainty for the thermal efficiency, in terms of the level of almost 95 percent for insurance against the reported number for the efficiency, the total uncertainty of the final optimized model for the thermal efficiency is ± 0,17.
Keywords: Household Gas Water Heater, Baffle, Thermal Efficiency, Experimental Test -
Pages 2031-2052
In this research, a transparent PEM fuel cell is designed and manufactured to visualize the anode and cathode side flow channels and study flooding phenomenon in them. Manufacturing challenges are found, and cell design is simulated prior to manufacturing. Restrictions are expressed in the first place and then practical solutions are presented to cope with them; materials and dimensions are then determined accordingly. As the second step, the cell’s operation is simulated and the polarization curve is extracted using a steady-state two-phase computation fluid dynamics model. After the manufacturing of all components, due to the high influence of the torque of the bolts on the leakage, lifetime and operation of the cell, this parameter is optimized using polarization curves. A torque of 1N.m for the bolts is found to be optimum. In order to validate the numerical model, the polarization curve of the model is compared with that of the experiment. An error of 6.76% demonstrates the suitable accuracy of the numerical model. Finally, the accumulated water on the cathode side is detected using direct visualization and image processing technique.
Keywords: PEM Fuel Cell, Design, Manufacturing, Water Management, Computational Fluid Dynamics, Digital Image Processing