فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و یکم شماره 12 (آذر 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/08/15
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مسعود رابطی، امید جهانیان*، علی اکبر رنجبر، سید محمد صفی الدین اردبیلی صفحات 797-810

    احتراق اشتعال تراکمی مخلوط همگن به دلیل بازده حرارتی بالا و تولید اکسیدهای نیتروژن و دوده ناچیز، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده است. انتقال حرارت از گازها به دیواره های محفظه احتراق تاثیر زیادی بر روی احتراق و فرایند شکل گیری آلاینده ها در موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن دارد. در این مطالعه برای اولین بار با در نظر گرفتن سوخت گاز طبیعی، از مدل صفربعدی تک ناحیه ای کوپل با سینتیک مفصل شیمیایی برای ارزیابی مدل های نیمه تجربی انتقال حرارت آناند، وشنی، هوهنبرگ، آسانیس و هنسل جهت تعیین شار حرارتی در موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن استفاده شد. برای این منظور ابتدا مدل سه بعدی دینامیک سیالات محاسباتی کوپل با سینتیک مفصل شیمیایی با داده های تجربی صحت سنجی شد و مدل سه بعدی به عنوان مرجع و پایه مقایسه برای ارزیابی مدل صفربعدی قرار گرفت. از روش سطح پاسخ به منظور بررسی اثر پارامترهای ورودی عملکردی موتور شامل فشار ورودی (5/1 ،25/1 ،1) بار، نسبت هم ارزی (7/0 ،5/0 ،3/0) و دور موتور (1400 ،1100 ،800) دوربردقیقه بر پارامترهای خروجی فشار درون سیلندر و شار حرارتی استفاده شد. نتایج مدل سازی صفربعدی نشان داد که در بیشتر مواردی که مورد بررسی قرار گرفت مدل آناند بهترین قابلیت را برای پیش بینی شار حرارتی ارایه می دهد. همچنین مدل هوهنبرگ شار حرارتی را بیشتر از مقدار محاسبه شده توسط مدل سه بعدی پیش بینی می کند درحالیکه مدل های آسانیس و هنسل شار گرمایی را کمتر از مقدار ارایه شده توسط مدل سه بعدی برآورد نمودند. علاوه بر این مدل وشنی نمی تواند برای مدل کردن شار حرارتی در موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن در این شرایط استفاده شود.

    کلیدواژگان: موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن، مدل های نیمه تجربی انتقال حرارت، شار حرارتی، گاز طبیعی
  • محمد راوندی*، سهیل داریوشی، احمد باطنی صفحات 811-822

    الیاف موجود در قسمت های مختلف نخل خرما، که از گیاهان بومی زیست اقلیم جنوب ایران است، از انواع الیاف طبیعی به شمار می روند که می توان از آنها  به عنوان تقویت کننده کامپوزیت های پلیمری بهره جست. در این پژوهش اثر فرآوری قلیایی بر روی خواص مکانیکی الیاف نخل خرما و چسبندگی آن با پلیمر گرماسخت مورد مطالعه تجربی قرار گرفته است. از محلول سدیم هیدروکسید (NaOH) در سه غلظت 1%، 3%، و 5% برای فرآوری قلیایی الیاف استفاده شده است. خواص مکانیکی الیاف بوسیله تست کشش تک لیف و استحکام برشی در فصل مشترک الیاف و ماتریس بوسیله تست Pull-out اندازه گیری شد. بررسی تصاویر SEM سطح الیاف نخل خرما قبل و بعد از فرآوری نشان دهنده بهبود کیفیت سطح الیاف و حذف لایه های لیگنین و واکس پس از فرآوری با غلظت 3% بود. همچنین، فرآوری باعث افزایش معناداری در استحکام کششی، مدول الاستیسیته و کرنش شکست الیاف گردید. نتایج تست Pull-out و بررسی تصاویر SEM سطح الیاف پس از تست نیز نشان دهنده افزایش چسبندگی ماتریس به الیاف بعد از فرآوری بود. بیشترین میزان افزایش در خواص مکانیکی و چسبندگی الیاف و ماتریس در غلظت 3% مشاهده شد.

    کلیدواژگان: الیاف طبیعی، الیاف نخل خرما، فرآوری قلیایی، تست Pull-out، استحکام برشی سطح مشترک
  • بهراد علی زاده خارکشی، روزبه شفقت*، امید جهانیان، کورش رضانژاد، رضوان عالمیان صفحات 823-834

    شرایط امواج دریا تاثیر بسزایی بر رفتار هیدرودینامیکی ستون های نوسانی آب دارد؛ به گونه ای که اثرات متقابل مبدل و امواج ورودی، در تعیین و ارزیابی ضرایب هیدرودینامیکی بی بعد بسیار مهم هستند. لذا با توجه به اهمیت این ضرایب در ارزیابی عملکرد مبدل های ستون نوسانی آب، در این مقاله، به ارزیابی تجربی ضرایب هیدرودینامیکی بی بعد در شرایط عملکردی مبدل ستون نوسانی چندمحفظه ای پرداخته می شود. برای تعریف آزمون های تجربی، با درنظر گرفتن موقعیت نصب مبدل بر روی موج شکن، از شرایط دریای مازندران استفاده شده است. پس از کالیبراسیون تجهیزات و نیز آنالیز عدم قطعیت، آزمون های تجربی در استخر موج دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل انجام شده است. با توجه به نتایج به دست آمده، با فرض یک عمق آبخور بی بعد و ثابت، با افزایش فرکانس بی بعد موج برخوردی، ضریب بی بعد موج انتقال یافته، ضریب بی بعد موج انعکاس یافته، ضریب بی بعد تخلیه و ضریب بی بعد فشار افزایش می یابند. از طرف دیگر نتایج نشان می دهند، در اثر تغییر عدد بی بعد موج از 9/1 تا 3/3، ضرایب بی بعد تخلیه، موج انعکاس یافته، فشار و موج انتقال یافته به ترتیب 6/1 برابر، 2/2 برابر، 8/2 برابر و 5/3 برابر می شوند؛ یعنی ضریب بی بعد موج انتقال یافته حساسیت بالایی نسبت به شرایط موج دارد؛ ضریب بی بعد تخلیه در مقایسه با دیگر ضرایب، تغییرات کمتری خواهد داشت. از طرفی نتایج نشان دادند که مبدل آزمایشگاهی در این تحقیق در بهترین حالت دارای راندمان 8/41% می باشد. این راندمان در فرکانس طبیعی بی بعد 88/0 و عمق آبخور بی بعد 032/0 رخ می دهد؛ در این شرایط دامنه نوسانات آب درون ستون نوسانی به 6/9 سانتی متر می رسد.

    کلیدواژگان: انرژی های تجدید پذیر، ستون نوسانی آب، ضرایب بی بعد هیدرودینامیکی، مطالعه تجربی
  • امیرعلی سیف الدین اصل، سید فرحان موسویان، احمد حاجی نژاد* صفحات 835-848

    افزایش روز افزون مصرف انرژی های تجدید ناپذیری همچون نفت و گاز و کاهش ذخایر آنان، لزوم توجه به منابع پاک و تجدیدپذیر را بیش از پیش ضروری می سازد. در این شرایط انرژی باد یکی از مطمین ترین گزینه ها برای تولید انرژی الکتریکی شناخته می شود. در این پژوهش با هدف ارزیابی تاثیر تغییر اقلیم های آب و هوایی بر مشخصه های اقتصادی و زیست محیطی توربین های بادی یک مدلسازی عددی در نرم افزار متلب، انجام گردید. جهت ارزیابی تاثیرات پارامتر های مذکور به عنوان یک مطالعه موردی این مدلسازی عددی برای پارامترهای بیان شده در 4 شهر ایران شامل شهرهای رشت، تهران، آبادان و سنندج به عنوان نمایندگان اقلیم های اصلی آب و هوایی کشور ایران مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بر اساس نتایج دیدگاه اقتصادی که معرف هزینه تراز شده واحد انرژی تولید شده میباشد، شهر آبادان با هزینه تراز شده 1/04 دلار به ازای هر کیلووات ساعت انرژی به عنوان اقتصادی ترین شهر شناخته شد. همچنین جنبه زیست محیطی تحلیل که بر مبنای روش ارزیابی چرخه حیات بوده، با درنظرگیری مقدار کربن دی اکسید تولیدی در طول چرخه عمر سیستم و قیمت گذاری آن بر مبنای سیاست های جریمه ای، شهر رشت را با اقلیم معتدل مرطوب و با مقدار انتشار 156 کیلوگرم کربن دی اکسید در سال و کمترین هزینه جریمه ای (هزینه سالیانه 2/26 دلار) در میان شهر های دیگر مناسب ترین گزینه نشان داد.

    کلیدواژگان: تحلیل اقتصادی، روش ارزیابی چرخه حیات، توربین بادی، ارزیابی اثرات زیست محیطی
  • محمد خوران*، حسین امیرآبادی، بهمن آذرهوشنگ صفحات 849-857

    امروزه کامپوزیت های پلی اتر اتر کتون به دلیل نسبت استحکام به وزن و سفتی بالا، خواص ضدآلرژیکی، مقاومت بالا در مقابل کمانش و خستگی به وفور در صنایع پزشکی و هوا-فضا مورد استفاده قرار می گیرند. سنگ زنی دارای انرژی مخصوص بالایی در بین فرایندهای سنتی براده برداری می باشد. معمولا سهم بسیار بالای از انرژی فرایند به گرما تبدیل خواهد شد. با توجه به اینکه حرارت نقش بسیار مهمی را در سنگ زنی پلیمرها بازی می کند، لزوم مدلسازی حرارت آن احساس می گردد. علاوه بر انرژی تشکیل براده در حین براده برداری ماده، انرژی های دیگری چون شخم زنی و اصصکاک نیز وجود دارند. سهم هر یک از این انرژی ها در راندمان فرایند تاثیر گذار است. می توان با محاسبه انرژی برش و مقایسه آن با انرژی مخصوص سنگ زنی بصورت تجربی، سهم انرژی تشکیل براده را در مقابل انرژی اصطکاک و شخم زنی محاسبه نمود. با انجام آزمون گرماسنجی روبشی تفاضلی و محاسبات تیوری، مقدار انرژی تشکیل براده برابر 0.089 ژول بر میلیمتر مکعب برای کامپوزیت با الیاف شیشه و 0/118 ژول بر میلی متر مکعب برای کامپوزیت با الیاف کربن بدست آمد. در صورتی که نتایج تجربی سنگ زنی نشان دهنده حداقل انرژی مخصوص  2/2 و  4/2 ژول بر میلیمتر مکعب به ترتیب برای کامپوزیت با الیاف شیشه و کربن بود. این اختلاف نشان دهنده سهم بسیار بالای انرژی شخم زنی در سنگ زنی این ماده و به طور خاص مواد پلیمری است. سهم انرژی تشکیل براده که به صورت حرارت وارد قطعه کار می شود 27درصد محاسبه شد. می توان بیان کرد همه انرژی به جز 73 درصد از انرژی تشکیل براده، وارد قطعه کار می گردد.

    کلیدواژگان: کامپوزیت پلی اتر اتر کتون، انرژی مخصوص سنگ زنی، انرژی تشکیل براده، شخم زنی
  • محمدجواد مهرسروش، خلیل عالی پور، علیرضا هادی*، بهرام تارویردی زاده، کیوان آرزو صفحات 859-872

    مکانیزم های شبیه ساز ورزش جذابیت و کاربرد زیادی در عمل به منظور پیاده سازی محیطهای واقعیت مجازی دارد. شبیه ساز دوچرخه سواری، با توجه به عمومیت فعالیت دوچرخه سواری در ورزش و حمل و نقل شهری جایگاه ویژه تری دارد. در این مقاله، طراحی و ساخت یک مکانیزم نوین تولید حرکت برای شبیه ساز تعاملی دوچرخه سواری ارایه شده است. ابتدا با به کارگیری نتایج تحقیقات گذشته، حدود سرعت و شتابی که کاربر حین دوچرخه سواری بایستی تجربه کند استخراج شده و ضمن تحلیل سایر شبیه سازهای دوچرخه سواری، درجات آزادی مورد نیاز و حدود آن تعیین شده است. سپس مکانیزم تولید حرکت جدید با دو درجه آزادی برای این کاربرد ارایه شده است. از الگوریتم ژنتیک برای تحلیل ابعادی مکانیزم استفاده شده و روابط سینماتیکی و دینامیکی مکانیزم استخراج شده است. با توجه به مدل دینامیکی مکانیزم، کنترل کننده ای به روش خطی سازی بازخورد طراحی شده و نتایج و عملکرد آن در نرم افزارهای شبیه ساز مورد بررسی قرار گرفته است. سپس مکانیزم تولید حرکت طراحی شده، ساخته شده و ایرادات آن برطرف گردیده است. در پایان کنترل موقعیت بطور موفقیت آمیز روی آن پیاده سازی شده است.

    کلیدواژگان: شبیه ساز دوچرخه سواری تعاملی، مکانیزم تولید حرکت، الگوریتم ژنتیک، کنترل موقعیت
|
  • Masoud Rabeti, Omid Jahanian*, Ali Akbar Ranjbar, Seyed Mohammad Safieddin Ardebili Pages 797-810

    Homogeneous charge compression ignition (HCCI) has attracted lots of attention due to the high thermal efficiency, lower NO x, and Soot exhaust emissions. Heat transfer from the gases to the combustion chamber walls has effective impact on the combustion process and the formation of engine-out emissions in HCCI engine. In this study for the first time a zero-dimensional single-zone model coupled with detailed chemical kinetics was used to evaluate the semi-empirical heat transfer models of Annand, Woschni, Hohenberg along with Assanis and Hensel to calculate heat flux in an HCCI engine fueled with natural gas. For this purpose, the 3D-CFD model coupled with detailed chemical kinetics was firstly validated by using experimental data, and then the 3D derived model was used as a base model for evaluating zero-dimensional model. Furthermore, the response surface model (RSM) was employed for investigating the effect of input parameters of engine including intake pressure (1, 1.25, and 1.5bar), equivalence ratio (0.3, 0.5, and 0.7), and engine speed (800, 1100, and 1400rpm) on the output parameters i.e., in-cylinder pressure and heat flux. In most cases were assessed, the zero-dimensional simulation results indicated that Annand technique provided the best model for heat flux simulation. Besides, the model of Hohenberg overpredict the heat flux in comparison with the calculated values derived from the 3D model, while Assanis and Hensel models underpredict the heat flux compared with the evaluated value of the 3D model. Furthermore, Woschni’s model cannot be used to model the heat flux in HCCI engine.

    Keywords: Homogeneous Charge Compression Ignition, Semi-Empirical Heat Transfer Models, Heat Flux, Natural Gas
  • Mohammad Ravandi*, Soheil Dariushi, Ahmad Bateni Pages 811-822

    The fibers of date palms, which are widely available in the south of Iran, are a variety of natural fibers that can be used as a reinforcement in polymer composites. This work investigates the effect of alkali treatment on the mechanical properties of date palm fibers and their adhesion to thermoset polymer. The sodium hydroxide (NaOH) solution at three different concentrations (1 wt%, 3 wt%, and 5 wt%) was used to treat the fibers. The single fiber tensile test and fiber pull-out tests were performed to measure the mechanical properties and fiber/matrix interfacial share strength, respectively. Comparing the SEM images of the untreated and treated fibers showed that the 3% NaOH treatment could effectively remove non-cellulosic materials, i.e. lignin and wax, with minimum damage to the fiber surface. The experimental results showed a clear improvement of the mechanical properties and fiber/matrix adhesion after treatment. It was found that the 3% NaOH solution is the optimal concentration to achieve the maximum improvement in the fiber and bonding properties.

    Keywords: natural fibers, date palm fibers, alkaline treatment, pull-out test, interfacial shear strength
  • Behrad Alizadeh Kharkeshi, Rouzbeh Shafaghat*, Omid Jahanian, Kourosh Rezanejad, Rezvan Alamian Pages 823-834

    Wave conditions have a significant effect on the hydrodynamic behavior of OWC. As the interactions of the WEC and the incident waves are important, therefore, due to the importance of coefficients in evaluating the performance of the OWC, in this paper, the experimental evaluation of dimensionless hydrodynamic coefficients of a MC-OWC is applied. To define the experimental tests, considering the installation location of the converter on the break water, the conditions of the Caspian Sea implemented. Calibration and uncertainty analysis have performed, experimental tests have been carried out in the wave tank of the BNUT. According to the results, assuming a dimensionless water depth, with increasing dimensionless frequency of the wave, the dimensionless coefficient of transmitted wave, the dimensionless coefficient of reflected wave, dimensionless coefficient of discharge and the dimensionless coefficient of pressure increase. The results showed that due to the change of dimensionless wave number from 1.9 to 3.3, discharge coefficients, reflected wave, pressure and transmitted wave are 1.6 times, 2.2 times, 2.8 times, respectively, are 3.5 times, the dimensionless coefficient of the transmitted wave is highly sensitive to the wave conditions; the dimensional coefficient of discharge will have less changes compared to other coefficients. On the other hand, the results showed that the OWC in this study has an efficiency of 41.8% in the best case. This efficiency occurs at the dimensionless natural frequency of 0.88 and the dimensionless water intake depth of 0.032; under these conditions, the amplitude of water fluctuations inside the OWC reaches 9.6 cm.

    Keywords: Renewable Energy, Oscillating Water Column, Dimensionless Hydrodynamic Coeffi-cient, Experimental Study
  • Amirali Saiffodin, Seyed Farhan Moosavian, Ahamad Hajinezhad* Pages 835-848

    The increasing consumption of non-renewable energy sources such as oil and gas and reducing their reserves make it more necessary to pay attention to clean and renewable resources. In this situation, wind energy is known as one of the safest options for generating electrical energy. In this study, with the aim of evaluating the impact of climate change on the economic and environmental characteristics of wind turbines, numerical modeling was developed in MATLAB software. In order to evaluate the effects of the mentioned parameters as a case study, this numerical modeling for the parameters expressed in 4 cities of Iran, including Rasht, Tehran, Abadan, and Sanandaj, as the representatives of the main climates of Iran has been analyzed. According to the results of the economic point of view, which represents the Levelized cost of the energy production unit, Abadan was recognized as the most economical case with a   Levelized cost of  1.04 $ per kilowatt-hour of energy. Also, the environmental aspect of the analysis, which is based on the life cycle assessment method, considering the amount of carbon dioxide produced during the system life cycle and its pricing based on penalty policies, Rasht with a mild climate and emissions of 156 kg. Carbon dioxide per year and the lowest fine cost (annual cost $ 2.26) showed the most suitable option among other cities.

    Keywords: Economic Analysis, Life Cycle Assessment Method, Wind Turbine, Environmental Impact Assessment
  • Mohammad Khoran*, Hossein Amirabadi, Bahman Azarhoushang Pages 849-857

    Today, polyether ether ketone composites are widely used in the medical and aerospace industries due to their high strength-to-weight ratio, anti-allergic properties, high buckling resistance and fatigue. Grinding has a high specific energy among traditional cutting processes. Usually a high portion of energy will converts to heat. Because heat has an important role in polymer grinding, the heat modeling of it is necessary. In addition to the energy of chip formation during material removal, there are other energies such as plowing and friction energy. The contribution of each of these energies affects the efficiency of the process. By theoretical calculating of the cutting energy and comparing it with the experimental specific grinding energy, the portion of chip formation energy versus friction and plowing energy can be calculated. By performing differential scanning calorimetry test and theoretical calculations, the amount of chip formation energy was 0.089 and 0.119 J/mm^3 for GFRP and CFRP, respectively. While the experimental results of grinding showed a minimum specific energy of 2.2 J/mm^3 and 2.4 J/mm^3 for GFRP and CFRP, respectively. This difference indicates the very high portion of plowing energy in the grinding of this material and especially polymeric materials. The percentage of the chip-forming energy that enters the workpiece as heat was calculated to be 27%. Therefore, it can be stated that all energy except 73% of the chip formation energy enters the workpiece.

    Keywords: Polyether Ether Ketone Composite, Grinding specific energy, Chip Formation Energy, Plowing
  • Mohammad Javad Mehrsoroush, Khalil Alipour, Alireza Hadi*, Bahram Tarvirdizadeh, Keyvan Arezoo Pages 859-872

    Sports simulation mechanisms practically have a lot of appeal and application to implement virtual reality environments. Cycling simulator has a more special place in sports and urban transportation due to the popularity of cycling activities. In this paper, the design and construction of a new motion generating mechanism for an interactive cycling simulator is presented. First, by using the references, the range of velocity and acceleration that the user should experience while cycling has been extracted, and by analyzing other cycling simulators, the required degrees of freedom and its range have been determined. Then, a new motion generating mechanism with two degrees of freedom is designed. Genetic algorithm has been used for dimensional optimization of the mechanism parameters. Kinematics and dynamic equations of the mechanism have been extracted. According to the dynamic model of the mechanism, a controller has been designed using the feedback linearization method and the performance have been investigated. Finally, the designed motion generating mechanism has been constructed and the position control has been implemented on the platform.

    Keywords: Interactive cycling simulator, Motion generating mechanism, Genetic algorithm, Control