فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و سوم شماره 11 (بهمن 1400)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 11 (بهمن 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/10/26
  • تعداد عناوین: 15
|
  • مصطفی اسماعیلی*، سیما مصحفی صفحه 1

    در مطالعه ی حاضر، تاثیر میدان مغناطیسی خارجی بر فرآیند تشکیل قطرات با اندازه و فرکانسی متفاوت و همچنین تاثیر خواص غیرنیوتنی بر مشخصات این قطرات، در یک میکروکانال جریان متمرکز به روش عددی بررسی شده و از طریق دو مدل غیرنیوتنی ویسکوز کاریو و توانی، وابستگی تنش با نرخ کرنش، مورد ارزیابی گرفته است. همچنین، تحلیل معادلات پیوستگی و مومنتوم جریان دوفازی، تراکم ناپذیر و غیردایم، با استفاده از روش حجم محدود و یک الگوریتم عددی بر اساس تکنیک کسر حجمی انجام گرفته است تا تاثیر عدد باند (0 تا 2/0) و اندیس توانی (3/0، 6/0 و 3/1) بر روی فرآیند تشکیل شدن قطرات، اندازه و زمان جدایش آن ها مورد ارزیابی قرار گیرد. به منظور اعتبارسنجی حل عددی، تشکیل قطرات سیال نیوتنی در مقادیر مختلف شدت میدان مغناطیسی با نتایج سایر مطالعات مورد مقایسه قرار گرفت و انطباق بسیار مناسبی مشاهده گردید. نتایج بدست آمده نشان می دهند که میان سیال نیوتنی و سیالات غیرنیوتنی با مدل های مختلف، قطره ی کاریو در عدد باند 2/0 دارای بیشترین حجم، معادل حجم بی بعد 56/1 بوده و تاثیر میدان مغناطیسی بر فرآیند تشکیل و جدایش قطرات، بیش از تاثیر معادله ی ساختاری (مدل ویسکوزیته) است. همچنین، با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، زمان جدایش قطرات بیشتر شده و قطراتی بزرگتر با فرکانس تولیدی کمتر، حاصل شده است.

    کلیدواژگان: میکروفلویدیک، تشکیل قطره، میدان مغناطیسی، سیال غیرنیوتنی، شبیه سازی عددی
  • مصطفی کاظمی، علی مددی*، محمود مانی صفحه 2

    بهینه سازی هندسه یک ایرفویل مجهز به گارنی فلپ با هدف بهبود عملکرد آیرودینامیکی، هدف اصلی این پژوهش بوده است. بهینه سازی گارنی فلپ شیاردار به منظور افزایش کارآیی آیرودینامیکی و نیروی برآی ایرفویل ناکا 0012 نوآوری این تحقیق می باشد. به منظور بهینه سازی از حل هم زمان الگوریتم ژنتیک، شبکه های عصبی مصنوعی و دینامیک سیالات محاسباتی بهره گرفته شده است. ارتفاع و ضخامت گارنی فلپ، ضخامت و محل قرارگیری شیار از متغیرهای بهینه سازی بوده اند. کلیه پژوهش ها در عدد رینولدز 106×45/0 و زاویه حمله 8 درجه با هدف شبیه سازی فرآیند برخاست انجا م گرفته است. پس از اعتبارسنجی نتایج حل عددی، بهینه سازی با دو تابع هدف مختلف انجام گرفته که یکی بیشینه برآ را مورد هدف قرار داده و دیگری مقدار کارآیی آیرودینامیکی را بیشینه می کند. نتایج نشان دادند، هندسه ای که ضریب برآی بهینه را می دهد، دارای ارتفاع بسیار بزرگتری نسبت به هندسه با کارآیی آیرودینامیکی بهینه بوده است. از طرفی ضخامت شیار نیز در هندسه اول کمتر از هندسه دوم بوده و محل شروع شیار نیز در آن به سمت دور شدن از لبه فرار حرکت کرده است. از طرفی هندسه بهینه نخست منتج به افزایش 64/21 درصدی ضریب برآ شده و هندسه بهینه دوم نیز، افزایش 293 درصدی کارآیی آیرودینامیکی را نتیجه داده است. به طورکلی می توان بیان داشت که استفاده از گارنی فلپ شیاردار بهینه، سبب می شود که بتوان در فاز برخاست، برآی موردنیاز به منظور کاهش مسافت را تامین کرد.

    کلیدواژگان: ایرفویل ناکا 0012، گارنی فلپ، الگوریتم ژنتیک، شبکه عصبی مصنوعی، دینامیک سیالات محاسباتی
  • پروانه خلعتی، مریم طهماسب پور*، سید جمال الدین پیغمبردوست صفحه 3

    از میان انواع آلاینده های موجود در آب، فلزات سنگین مانند سرب به دلیل ایجاد مسمومیت بالا و طولانی مدت، باعث نگرانی های محیط زیستی شده است. روش های مختلفی ازجمله ته نشینی، جذب سطحی و فرآیندهای غشایی برای حذف سرب وجود دارند که هریک داراری مزایا و معایبی هستند. نوع جدیدی از فرآیند ته نشینی با نام فرآیند کریستالی شدن به دلیل سادگی انجام فرآیند، دردسترس بودن و در عین حال ارزان بودن مواد شیمیایی مورد نیاز، عدم نیاز به احیاء مواد و همچنین پربازده بودن آن مورد توجه قرار گرفته است. در این روش، محلول حاوی سرب به کمک عامل ته نشینی مانند محلول حاوی کربنات و در حضور ذرات دانه ای مانند ذرات شن و ماسه، به کریستال کربنات سرب تبدیل شده و بدین ترتیب فلز سرب از آب حذف می گردد. از جمله عوامل تاثیرگذار بر راندمان حذف در این روش می توان به pH، غلظت اولیه سرب، نسبت مولی کربنات به سرب و مقدار ذرات شن و ماسه اشاره نمود. نتایج حاصل از آزمایش های انجام شده در این تحقیق نشان می دهد، زمانی کهpH بین بازه 9-8، غلظت اولیه سرب 100 میلی گرم بر لیتر، نسبت مولی کربنات به سرب 3 به 1 و مقدار ذرات شن و ماسه 25/0 گرم در 100 میلی لیتر محلول باشد، میزان حذف سرب برابر با 99% حاصل می شود. در این تحقیق، به منظور تایید و توجیه نتایج حاصل از آنالیزهای AAS،SEM و EDS استفاده شده است.

    کلیدواژگان: تصفیه آب، فلزات سنگین، سرب، فرایند کریستالی شدن، بررسی پارامتری
  • مازیار فهیمی فرزام*، بابک علی نژاد، رسول معروفی آذر، هاجر کاظمی سرملی صفحه 4

    یکی از موضوعات با اهمیت در حوزه مهندسی ایجاد یک فضای آرام و حس امنیت برای ساکنین ساختمان ها به ویژه سازه های بلندمرتبه در برابر نیروی زلزله و باد می باشد، به همین منظور استفاده از سیستم های کنترلی جهت کاهش ارتعاش سازه در برابر بارهای دینامیکی مورد توجه قرار گرفته است. میراگر مایع تنظیم شده یک ابزار پرکاربرد و مقرون به صرفه برای کنترل ارتعاشات سازه تحت بارهای جانبی دینامیکی می باشد. در این پژوهش سازه بلندمرتبه استاندارد CAARC تحت تحریک های زلزله حوزه دور و نزدیک و پروفیل بادی با سرعت 100 متر بر ثانیه در نرم افزار ANSYS بررسی شده است. تونل باد شبیه سازی شد و اندرکنش باد و سازه مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور کاهش پاسخ های سازه بلندمرتبه تحت رکوردهای زلزله حوزه دور (السنترو 1940 و هاچینو 1968)، رکوردهای زلزله حوزه نزدیک (نورثریج 1994 و کوبه 1995) و نیروی باد از یک میراگر مایع تنظیم شده با مخزن مکعبی استفاده شد. پاسخ های سازه از قبیل جابجایی، سرعت، شتاب، فشار وارده به سازه و خطوط جریان باد بر روی دیواره های سازه مورد تحلیل و آنالیز قرار گرفته است و همچنین، رفتار آیرودینامیک و آیروالاستیک سازه در برابر نیروی باد بررسی شده است. نتایج بدست آمده از شبیه سازی ها نشان می دهد که میراگر مایع تنظیم شده می تواند جابجایی سازه را به طور میانگین تحت رکوردهای حوزه دور تا 16 درصد، رکوردهای حوزه نزدیک 5/0 درصد و تحت نیروی باد تا 13 درصد کاهش دهد.

    کلیدواژگان: میراگر مایع تنظیم شده، تونل باد، سازه استاندارد CAARC، تحریک زلزله حوزه دور و نزدیک، ANSYS
  • زهرا ملاحسینی، بهمن وحیدی* صفحه 5

    ریه مصنوعی می تواند برای بیماران در صف انتظار پیوند ریه و یا برای جراحی های بای پس قلبی، به عنوان دستگاه کمک تنفسی به بیماران یاری رساند. در این مطالعه، جریان تراکم ناپذیر و ضربانی خون نیوتنی درون مدل کامل ریه مصنوعی، شامل منیفولد ورودی، محیط همگن متخلخل و منیفولد خروجی بررسی شد. اثر تغییر زاویه انبساط (15، 45 و 90 درجه)، حجم ضربه و طول مسیر فیبرها برروی امپدانس ریه مصنوعی با استفاده از تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی مطالعه شد. معادلات حاکم، برای حل عددی به روش حجم محدود گسسته سازی شدند. همچنین، با معیار قرار دادن امپدانس سیستم، مدل اغتشاش انتخاب شد. علاوه بر امپدانس، توزیع تنش برشی روی جداره محفظه ی دستگاه بررسی شد. نتایج نشان داد که کاهش زاویه انبساط، کاهش حجم ضربه و افزایش طول مسیر فیبرها موجب کاهش امپدانس سیستم می شود. مدل 45 درجه به عنوان مدل مناسب انتخاب شد؛ چراکه علاوه بر امپدانس پایین، نواحی سکون و یا کم سرعت که می تواند موجب لخته زایی شود، در این مدل کمتر از مدل 15 درجه است. برای کاهش احتمال لخته زایی، بهتر است که ریه مصنوعی در توالی ریه طبیعی قرار گیرد.

    کلیدواژگان: تنش برشی، جریان ضربانی، تبادل اکسیژن، حجم ضربه، امپدانس سیستم
  • وحیده دشتی رحمت آبادی، محسن آقا سید میرزا بزرگ، سعید خردمند* صفحه 6

    در کار حاضر، به بررسی جریان داخل یک کانال دارای حفره به عنوان محفظه احتراق یک موتور اسکرمجت پرداخته شده است. تحلیل های انجام شده در این تحقیق در خصوص تاثیر مشخصه های هندسی وابسته به حفره نظیر L/D (طول به عمق حفره)، H/D (ارتفاع کانال به عمق حفره) و عددهای ماخ متفاوت در محدوده مافوق صوت بر روی کیفیت جریان داخل کانال محفظه احتراق است. در جریان غیرواکنشی مورد بررسی در این مقاله، مشخصه گردش به عنوان مشخصه وابسته به اختلاط تحلیل شده است. در تحلیل عددی، از معادلات دو بعدی ناویر استوکس به منظور حل جریان پایا و روش چگالی مبنا استفاده شده و مدل اغتشاشی مورد استفاده، روش k-ɛ استاندارد بوده است. به منظور شبیه سازی عددی از نرم افزار انسیس فلوینت نسخه18.2 استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با افزایش نسبت L/D، افزایش عدد ماخ و وجود زاویه در دیواره عقبی حفره، میزان گردش در لایه مرزی و در نتیجه اختلاط افزایش می یابد. هندسه های دارای H/D بزرگتر، عملکرد بهتری را نسبت به سایر هندسه های مورد بررسی در مورد میزان تولید گردش و کاهش افت فشار کل از خود نشان دادند. همچنین با وجود اینکه نسبت H/D=1، گردش بیشتری نسبت به حالات دیگر دارد اما به دلیل بقای شوک مایل در برخی شرایط و ایجاد افت فشار کل قابل توجه، استفاده از آن در همه ماخ های مافوق صوت مطمین نخواهد بود.

    کلیدواژگان: جریان مافوق صوت، حفره، غیر واکنشی، زاویه دیواره عقبی حفره، نسبت H، D و L، D
  • امین جابری، مهران تاج فر*، اشکان عالی مهر صفحه 7

    در این پژوهش، فیزیک جریان یک جت مستطیلی تزریق شده به درون جریان هوای موازی به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفت. جریان جت مایع توسط یک انژکتور مستطیلی با ضخامت 64/0 میلیمتر و ضریب منظری 21 تولید شد. این انژکتور به صورت موازی و با استفاده از یک نگهدارنده خاص برای کاهش اثرات اغتشاشی در مرکز اتاقک آزمون تونل باد فروصوت قرار گرفت. به منظور شناسایی فیزیک جریان از روش سایه نگاری و برای ثبت تصاویر از عکسبرداری سرعت بالا استفاده شد به منظور بررسی و تحلیل فیزیک جریان، آزمایش ها در بازه گسترده ای از شرایط جریان انجام شده و تصاویر آشکارسازی ارایه شده است. در این پژوهش عدد وبر جت و عدد وبر گاز به ترتیب بین 3 تا 120، و 2/0 تا 13 تغییر یافته اند. نشان داده شد که اثرات جریان گاز باعث ایجاد موج های متناوب کمانی شکل بر روی ستون جت مایع می شود که باعث تسریع شکست جت می شوند. همچنین، برای اولین بار رژیم های مختلف جریان شامل رژیم ستونی، ستونی/گرانشی، کمانی، کیسه و ترکیبی شناسایی و معرفی شدند. یک نقشه دسته بندی با متغیرهای عدد وبر گاز و نسبت مومنتوم نیز برای تفکیک این رژیم ها اریه شد. طول شکست جریان مایع نیز اندازه گیری شد و نتایج آن بر حسب متغیرهای مختلف ارایه شد. نتایج نشان می دهد با افزایش عدد وبر جت سیال در سرعت ثابت جریان گازی، طول شکست افزایش می یابد

    کلیدواژگان: تزریق موازی، جت مایع مستطیلی، ناپایداری جریان مایع، سایه نگاری
  • رستم اکبری کنگرلوئی، مجید عباس علیزاده*، احد رمضانپور صفحه 8

    لوله های حرارتی نوسانی (PHP) ازجمله وسایلی هستند که در عین سادگی و کم هزینه بودن، می توانند حرارت زیادی را انتقال دهند. در کابردهای صنعتی یکی از ضعف های عمده PHP عملکرد ضعیف آن ها در زوایای نزدیک افق می باشد. مطالعات قبلی اکثرا در زوایای60،90 ،30 و 0 درجه بوده و ضعف PHP را در محدوده زاویه 30 تا صفر گزارش کرده اند اما بررسی دقیقی در این محدوده صورت نگرفته است. لذا هدف اصلی این پژوهش بررسی تجربی عملکرد PHP در زوایای انحراف نزدیک به افق و ارایه دقیقتر زاویه بحرانی می باشد. برای منظور ابتدا بهترین درصد پر شوندگی (60%) تعیین گردید و به ازای این درصد پرشوندگی در زوایای مختلف 0 تا 90 درجه عملکرد PHP مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از این مطالعه نشان داد که با کم کردن زاویه PHP از 90 درجه تا حدود زاویه 15 درجه ، اختلاف مقاومت حرارتی به ازای توانهای حرارتی مختلف بسیار کم بوده ولی از زاویه 10 تا صفر درجه این اختلاف افزایش یافت. همچنین بررسی های بیشتر نشان داد که مقدار درصد اختلاف مقاومت حرارتی زوایای 15، 10و 5 با مقدار متوسط مقاومت حرارتی بترتیب 3، 12 و 36 درصد است. بدین ترتیب مشخص شد که ضعف اصلی لوله های حرارتی نوسانی از زاویه حدود 10 تا صفر درجه میباشد.

    کلیدواژگان: تجربی، مقاومت حرارتی، لوله حرارتی نوسانی، پر شوندگی، زاویه انحراف
  • عادل چیدان، افراسیاب رئیسی*، بهزاد قاسمی صفحه 9

    در این پژوهش، انتقال حرارت جابجایی طبیعی درون یک محفظه مثلثی حاوی یک منبع گرمازای استوانه ای با دیوار های مورب انعطاف پذیربررسی می شود. سیال فرض شده درون محفظه، هوا است. دیوار های مورب انعطاف پذیرمحفظه در دمای ثابت سرد Tc قرار دارند و منبع گرم استوانه ای در دمای قرار دارد. معادلات با استفاده از روش المان محدود گالرکین گسسته می شوند و به منظور توصیف حرکت سیال از دیدگاه اویلری_لاگرانژی دلخواه استفاده می شود. در این پژوهش تاثیر متقابل میدان سیال و میدان جامد روی یکدیگر و اثر موقعیت منبع گرمازای استوانه ای شکل بر میدان سیال و دما بررسی می شود. به همین منظور، اثر پارامترهای مختلفی همچون عدد رایلی ، تغییر موقعیت منبع گرمازا در راستای خط عمودی گذرنده از مرکز سطح محفظه، روی تغییر شکل دیوار های انعطاف پذیر، میدان های جریان و دما و نرخ انتقال حرارت مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج حاصل نشان می دهد که در یک موقعیت ثابت منبع گرم، با افزایش عدد رایلی، اندازه تابع جریان ماکزیمم، عدد ناسلت متوسط و تغییر شکل دیوارهای انعطاف پذیرافزایش می یابند. همچنین، نتایج حاصل نشان می دهد که موقعیت منبع گرمازا اثر قابل توجهی بر میدان دما و جریان دارد. به طوری که با حرکت کردن منبع گرمازا به سمت پایین محفظه، عدد ناسلت متوسط برای اعداد رایلی 104 و 105 کاهش و برای عدد رایلی 106 در ابتدا افزایش و سپس کاهش پیدا می کند.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت جابجایی آزاد، محفظه مثلثی، منبع گرم دایره ای، برهم کنش سازه و سیال، دیوارهای انعطاف پذیر
  • غلامرضا عبدی زاده، سحر نوری*، حمیدرضا تاجیک، مهران شهریاری، محمد سعیدی صفحه 10

    با توجه به محدودیت حجمی و جرمی دستگاه های الکترونیکی کوچک، لوله های گرمایی تخت نازک یک راه حل ایده آل برای کنترل کارآمد انتقال و اتلاف حرارت هستند. عملکرد لوله های گرمایی نازک به شدت به مشخصات ناحیه متخلخل وابسته است. در این پژوهش، عملکرد حرارتی لوله های گرمایی تخت نازک با فتیله های ترکیبی و شیاردار برای شارهای گرمایی ورودی 5/2 تا 30 وات به صورت عددی مورد مطالعه و با یکدیگر مقایسه شدند. همچنین پارامترهای موثر مختلف بر عملکرد حرارتی آن ها مانند دمای دیوار، بیشینه سرعت محوری، انتقال جرم در سطح مشترک مایع-بخار، فشار سیستم و مقاومت حرارتی تجزیه و تحلیل شدند. شبیه سازی عددی به صورت دوبعدی، ناپایا، تراکم ناپذیر و آرام انجام شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که دمای بخش اواپراتور لوله گرمایی با فتیله ترکیبی به طور قابل توجهی کمتر از مقدار مربوط به لوله گرمایی با فتیله شیاردار است. همچنین مشاهده شد که با افزایش شار گرمایی ورودی، مقاومت حرارتی لوله گرمایی با فتیله ترکیبی کاهش یافته و نسبت به فتیله شیاردار عملکردی بسیار مناسبی دارد. برای شارهای گرمایی 10، 20 و 30 وات عملکرد لوله گرمایی با فتیله ترکیبی نسبت به فتیله شیاردار به ترتیب 59/3، 38/20 و 57/28 درصد بهبود می یابد. بنابراین ساختار فتیله ترکیبی می تواند عملکرد لوله گرمایی را بهبود بخشد و میزان این بهبود در شارهای گرمایی بالا، قابل توجه است.

    کلیدواژگان: لوله گرمایی تخت، فتیله ترکیبی، تبخیرکننده، تغییر فاز، شار گرمایی بالا
  • حامد قلی پور، محمدجعفر کرمانی*، رحیم زمانیان صفحه 11

    لایه نفوذ گاز سمت کاتد در پیل های سوختی غشا پلیمری، آب تولید شده در واکنش را از محیط متخلخل خود به بیرون هدایت می کند. این مقاله نگاهی انتقادی به مدل های شبکه متخلخل تولید شده برای لایه نفوذ گاز مبتنی بر فرض تزریق یکنواخت آب مایع از لایه کاتالیست به درون لایه نفوذ گاز دارد. این مدل ها منجر به توزیع نسبتا یکنواختی از اشباع آب مایع در راستای درون-صفحه ای در لایه نفوذ گاز می شوند و هیچ تفاوتی تحت کانال های جریان و تحت دنده ها مشاهده نمی گردد که با مشاهدات آزمایشگاهی مغایرت دارد. در این مقاله سعی شده است که مدل شبکه ای جریان دوفازی موجود با دیگر پدیده های انتقال در لایه نفوذ گاز و دیگر لایه ها کوپل شود. برای این کار، مدل مورد نظر با مدل های شبکه ای انتقال اکسیژن و الکترون در کاتد و همچنین با مدل واکنش الکتروشیمیایی از لایه کاتالیست و مدل انتقال پروتون در غشا کوپل می شود. اولین نتیجه مدل، توزیع نرخ تولید محلی آب در لایه کاتالیست و همچنین تکامل زمانی نرخ کل تولید آب در لایه کاتالیست است که یک کاهش تقریبی 50% از شروع به کار پیل تا رسیدن به حالت دایمی تجربه می کند. در نتیجه کوپلینگ، توزیع اشباع آب در لایه نفوذ گاز کاملا غیریکنواخت بوده و شاهد ماکزیمم هایی تحت دنده ها می باشیم که نتیجه مستقیم تولید غیریکنواخت آب مایع در محل های انجام واکنش است.

    کلیدواژگان: مدل شبکه متخلخل، لایه نفوذ گاز، پیل سوختی غشا پلیمری، جریان دوفازی، کوپلینگ
  • امیرحمزه فرج الهی*، امیرحسین حجازی، حشمت گازری، محسن رستمی صفحه 12

    امروزه با توجه به کاربرد وسیع سیستم های تولید همزمان با منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین نیاز دنیا از نظر اقتصادی و محیط زیستی به این سیستم ها، طراحی و تحلیل ترمودینامیکی آن ها مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته است. از این رو در کار حاضر، یک سیستم تولید همزمان دو گانه توان و هیدروژن با طرحی نوین، ساده و در عین حال کاربردی ارایه شده است که شامل چرخه توربینگازی، گازساز، چرخه‏ گذربحرانی کربن دی اکسید و الکترولیزر غشاء پروتونی است. طرح مذکور از دیدگاه های قانون اول و دوم ترمودینامیک با نرم افزار حلگر معادلات مهندسی EES شبیه-سازی شده است. سیستم طراحی شده در کنار تولید توان از بیشترین ظرفیت ممکن خود استفاده کرده و سوخت پاک هیدروژن را نیز برای مصرف کننده تامین می کند. در حالت پایه سیستم به ترتیب دارای ظرفیت الکتریکی 92/3 مگاوات بوده و توانایی تولید گاز هیدروژن به میزان 8/608 مترمکعب در ساعت را داراست. میزان سوخت مصرفی چرخه 155/1 کیلوگرم بر ثانیه است. ضریب بهره وری انرژی و بازده اگزرژی سیستم به ترتیب %71/34 و %44/29 است. میزان نابودی اگزرژی کل سیستم نیز برابر 11854 کیلووات است. همچنین محفظه احتراق، توربین گازی و گازساز بیشترین میزان نابودی اگزرژی را به خود اختصاص داده اند. طبق مطالعات پارامتری، مشخص گردید که افزایش دمای ورودی به توربین تاثیر مثبت و افزایش فشار حداکثری چرخه کربن دی اکسید تاثیر منفی بر روی ضریب بهره وری انرژی و بازده اگزرژی کل سیستم دارند.

    کلیدواژگان: تحلیل قانون اول و دوم ترمودینامیک، گازسازی زباله جامد شهری، تولید هیدروژن، توربین گازی، چرخه رانکین گذربحرانی
  • قاسم عبدالله نژاد*، صمد جعفر مدار، شهرام خلیل آریا صفحه 13

    در مقایسه با واحد مرسوم انرژی توربین، واحدهای انرژی هیدرودینامیکی مغناطیسی فلز مایع، ساختار ساده تری دارند که باعث شده سیستمی بسیار قابل اطمینان با هزینه های پایین نگهداری و همچنین بدون قطعات متحرک، بشمار آیند. واحد هیدرودینامیکی مغناطیسی فلز مایع نیاز به منبع با دمای بالا دارد که توسط سوخت های فسیلی تامین می شود. برای رفع این ایراد، هدف مطالعه حاضر ارایه نیروگاه تولید همزمان جدید هیدرودینامیکی مغناطیسی فلز مایع برای تامین آب شیرین و توان، با استفاده از توان خورشیدی متمرکز ، می باشد. بررسی انرژی، اگزرژی و ترمو اقتصادی سیستم یکپارچه ابداعی از طریق شبیه سازی در حلگر معادلات مهندسی انجام شده است. نتایج نشان می دهند که نیروگاه تولید همزمان پیشنهادی، قادر به تولید توان 73.2 کیلو وات و آب شیرین 21.06 مترمکعب/ روز است که در این مورد ضریب بهره وری انرژی و کل بهره وری اگزرژی به ترتیب 97.45 و 26.34 درصد محاسبه شده اند. در میان تمام مواد تشکیل دهنده، گیرنده بالاترین تخریب اگزرژی 270.4 کیلو وات را داشته، و هلیوستات با تخریب اگزرژی 240.9 کیلو وات در رتبه بعدی قرار دارد. نتایج حاصل از تحلیل اگزرژی-اقتصادی نشان داد گیرنده و برج خورشیدی دارای بیشترین هزینه سرمایه گذاری، تعمیر و نگهداری بوده و مقدار هزینه بر واحد اگزرژی کل سیستم 103.4 دلار بر گیگاژول می باشد.

    کلیدواژگان: هیدرودینامیکی مغناطیسی، تولید همزمان، توان خورشیدی متمرکز، رطوبت ساز-رطوبت گیر، اگزرژی-اقتصادی
  • امیرمحمد جدیدی*، روح الله رفعی، مصطفی رمضانی صفحه 14

    در این مقاله به بررسی انتشار آلاینده ها در یک سالن سینما با استفاده از سه سیستم توزیع هوا پرداخته شده است. روش محاسباتی، شبیه سازی عددی است و مدلسازی توربولانسی با استفاده از روش گردابه های بزرگ بوده است. در این پژوهش بررسی راجع به میزان غلظت گازهای سمی کربن مونو اکسید و کربن دی اکسید و همچنین حرارت های حاصل از حریق در درب های خروجی سالن سینما و مسیرهای فرار، صورت گرفته است. میان سیستم های بررسی شده، دو سیستم تهویه جابجایی و جت برخوردی در کنترل دوده حاصل از حریق به میزان 31 درصد، در کنترل کربن مونو اکسید 16 درصد و در کنترل کربن دی اکسید نیز 11 درصد توانستند بهتر از سایر سیستم ها عمل کنند، اشاره کرد. به این صورت که دو سیستم تهویه جابجایی و جت برخوردی ppm 3/6 و سیستم تهویه لایه ای ppm 5/7 برای گاز کربن مونو اکسید و در مورد گاز کربن دی اکسید نیز دو سیستم تهویه جابجایی و جت برخوردی ppm 330 و سیستم تهویه لایه ای نیز ppm 370 ثبت کرده اند. در کنترل حرارت خروجی از درب های سالن سینما، سیستم های تهویه جابجایی و جت برخوردی در درب شماره 1 به میزان 6/66 درصد و در درب شماره 2 نیز سیستم تهویه جت برخوردی 96 درصد نسبت به سیستم تهویه لایه ای عملکرد بهتری داشته است.

    کلیدواژگان: تهویه مطبوع، حریق، پایروسیم، کربن مونو اکسید، شبیه سازی گردابه های بزرگ
  • صادق صدیقی*، ابوالقاسم ابوالقاسمی صفحه 15

    یکی از روش های موجود برای شیرین سازی آب، یون زدایی خازنی است. در سیستم های یون زدایی خازنی، آب شور از درون کانالی عبور می کند که دارای الکترودهایی با سطح تماس زیاد است. با اعمال ولتاژ، یون ها تحت میدان الکتریکی در سطح الکترود جذب می شوند، در نتیجه این عمل، میزان شوری آب کاهش یافته و آب شیرین از سمت دیگر سیستم خارج می گردد. اخیرا پژوهشگران به ارایه مدل های مختلف برای پیش بینی رفتار دستگاه آب شیرین کن به روش یون زدایی خازنی پرداختند. مدل مورد استفاده برای شبیه سازی، یک معادله انتقال یک بعدی می باشد. به منظور پیش بینی غلظت آب خروجی و شناسایی پارامتر های موثر در عملکرد سیستم یون زدایی خازنی توسعه پیدا کرد. هدف این پژوهش بررسی راندمان شیرین سازی آب با استفاده از تغییرات پارامترهای کاری سیستم است. پارامتر های مورد بررسی در این پژوهش شامل دبی سیال، جریان الکتریکی اعمالی، غلظت ورودی، تخلخل، سطح مقطع الکترود و طول الکترود بود. نتایج نشان دادند که موثرترین پارامتر در بهبود عملکرد دستگاه "جریان الکتریکی اعمالی" می باشد، به طوری که با افزایش پنجاه درصدی جریان الکتریکی اعمالی، درصد شیرین سازی آب حدود 72 درصد افزایش و زمان لازم برای رسیدن به حداکثر شیرین سازی آب حدود 76 درصد کاهش یافت.

    کلیدواژگان: یون زدایی خازنی، غشای تبادل یونی، پیکربندی FTE، شیرین سازی آب
|
  • Mostafa Esmaeili *, Sima Mashafi Page 1

    In the present study, the effect of external magnetic field on the process of droplet formation with different size and frequency in a flow-focusing micro-channel is numerically studied. Moreover, the influence of non-Newtonian properties on the droplet formation characteristics is investigated using two non-Newtonian Carreau and power-law models. In order to solve the continuity and momentum equations for unsteady, two-phase and incompressible flow, finite volume method is employed. A numerical algorithm based on volume of fluid (VOF) technique is used to determine the effect of Bond number (0 to 0.2) and power-law indices (0.3, 0.6 and 1.3) on the droplet formation process along with their size and separation time. In order to validate the numerical solution, the formation of Newtonian fluid droplets at different values of magnetic field strength is compared with the results of other studies and very good agreement was observed. The results of numerical solution show that Carreau fluid droplet in the Bond number of 0.2 has the highest volume, which is equivalent to the dimensionless volume of 1.56. Also, the process of droplet formation is more affected by the magnetic field than by the non-Newtonian model. In addition, with increasing field strength, droplet separation time increases and as a result, larger droplets with lower frequency will be formed.

    Keywords: Microfluidic, droplet formation, magnetic field, Non-Newtonian fluid, numerical simulation
  • Mostafa Kazemi, Ali Madadi *, Mahmoud Mani Page 2

    The salient aim of this paper is the shape optimization of an airfoil equipped with Gurney-Flap for aerodynamic performance improvement. The optimization of the slotted Gurney-Flap for improving the aerodynamic efficiency and increasing the lift force of NACA 0012 is the novelty of this research. The Genetic Algorithm, Artificial Neural Network, and Computational Fluid Dynamics are employed for shape optimization. The optimization variables include the height and thickness of the GF; also, the thickness and position of the slot. All analyses have been conducted at Re=0.45×106 and AOA=8o to simulate the take-off phase. After validating numerical results, the optimization process was conducted with two different fitness functions of lift force and aerodynamic efficiency. According to the results, the geometry representing an optimized lift coefficient compared to the geometry with optimized aerodynamic efficiency has a considerably higher height. Furthermore, the thickness of the slot in the first geometry is lower than the second geometry. The first optimized geometry leads to a 21.64 percent lift coefficient increment; there is a 293 percent increment in aerodynamic efficiency due to the second optimized geometry. As a result, it can be indicated that the help of slotted optimized Gurney-Flap can provide the required lift force for Short Take-Off Landing distance.

    Keywords: NACA 0012, Gurney-Flap, genetic algorithm, ANN, CFD
  • Parvaneh Khalati, Maryam Tahmasebpour *, Seyed Jamaledin Peighambarsoust Page 3

    Lead (Pb) is one of the heavy metals having high and long-term toxicity even at very low concentrations which limits the reusability and recyclability of industrial wastewaters. In this study, the removal and recovery of Pb from synthetic wastewater by a new form of precipitation method named crystallization process in a batch system was investigated. This process has gained increasing attention in recent years because of being in access, low cost, high efficiency and no need to recover the used materials. The efficacy of removal was dependent on the factors such as pH, initial lead concentration, carbonate: lead molar ratio and amount of seed crystals. The results of the experiments performed in this study showed that when the pH is in the range between 8-9, the initial concentration of lead is 100 mg /L, the molar ratio of carbonate to lead is 3:1 and the amount of seed particles is 0.25 g dissolved in 100 ml, the lead removal efficiency is obtained as 99%. AAS, SEM and EDS analyzes were used to confirm and justify the above results.

    Keywords: Water treatment, Heavy Metals, Pb removal, Crystallization process, Parametric Study
  • Maziar Fahimi Farzam *, Babak Alinejad, Rasool Maroofiazar, Hajar Kazemi Sormoli Page 4

    One of the important issues in civil engineering is creating a calm place and a sense of security for the residents of high-rise structures against the force of earthquakes and wind. Therefore, the use of control systems has been considered under dynamic loads. Tuned Liquid Damper is Affordable and useful device for controlling the vibrations of structure under dynamic lateral loads. In this study, the standard high-rise structure has been modeled in ANSYS software under earthquakes (far and near-field) and wind profile with a speed of 100 meters per second. The wind tunnel has been simulated and the interaction between wind and structure has been investigated. In order to reduce the responses of high-rise structures under far-field records (Elcentro 1940 and Hachinohe 1968) and near-field records (Northridge 1994 and Kobe 1995) and wind force, a TLD with a cube tank was used. The responses of the structure such as displacement, velocity, acceleration, pressure over to the structure and wind streamline over the walls of the structure have been analyzed and also, the aerodynamic and aeroelastic behavior of the high-rise structure against wind has been investigated. Averagely, the simulation results show that the Tuned Liquid Damper could reduce the maximum displacement of the structure to 16% under far-field records, 0.5% under near-field records and 13% under wind force.

    Keywords: Tuned Liquid Damper, Wind tunnel, CAARC Standard Structure, Far, Near-Field Earthquakes, ANSYS
  • Zahra Mollahoseini, Bahman Vahidi * Page 5

    An artificial lung can help patients waiting in line for a lung transplant or for heart bypass surgery as a respiratory aid. In this study, the incompressible and pulsatile Newtonian blood flow within a complete artificial lung model was investigated including inlet manifold, porous homogeneous medium, and outlet manifold. In this scale, the effect of variation of the expansion angle (15, 45 and 90 degrees), the stroke volume, the path length of the fibers on the artificial lung impedance was studied using computational fluid dynamics. The governing equations are discretized for numerical solution by finite volume method. Also, the turbulence model was selected by measuring the system impedance. In addition to the impedence, the shear stress distribution on the housing walls was investigated. The results showed that reducing the expansion angle, reducing the stroke volume and increasing the path length of the fibers will reduce the impedance of the system. The 45-degree model has been chosen as the appropriate model. Because not only its impedance is low, but also areas with low speed flow, which can lead to clot formation, are less than the 15-degree model. In order to have lower clot formation, it is better to have the artificial lung with the natural one in series.

    Keywords: shear stress, Pulsatile Flow, Oxygen Exchange, Stroke Volume, System Impedance
  • Vahideh Dashti Rahmat Abadi, Mohsen A.S. Mirzabozorg, Saeed Kheradmand * Page 6

    In the present work, the flow inside a channel with cavity is investigated as a Scramjet combustion chamber. For this aim , the parameters such as L/D (cavity length to cavity depth), H/D (channel height to cavity depth) and varied Mach numbers are studied in the supersonic flow to investigate the effect of geometric parameters on channel flow in non- reacting conditions. In this work, the vorticity is used as mixing parameter. Two-dimensional Navier-Stokes equations are used to solve the steady-state flow. The density based method and standard k-ε Model are employed to numerical simulation. The results show that vorticity of boundary layer and thus mixing in flow is increased with growing of L/D, Mach number and having sweep angle for cavity. Geometries with larger H/D performed better than other geometries in terms of generating vorticity and reducing Total pressure loss. Although the H/D = 1 ratio has a higher recirculation than others, it will not be reliable for all supersonic flow because of its considerable total pressure loss and the survival of the oblique shock in some conditions.

    Keywords: Supersonic flow, Cavity, Non- Reaction, Aft Angle of Cavity, L, D, H, D Ratio
  • Amin Jaberi, Mehran Tadjfar *, Ashkan Alimehr Page 7

    In this study, the flow dynamics of a high aspect ratio rectangular liquid jet issued into parallel airflow was experimentally investigated. The liquid flow was emanated from a rectangular injector with a thickness of 0.64 mm and an aspect ratio of 21. The injector was set in the center of the test section and the effects of airflow on the liquid flow were evaluated. A particular holding mechanism was designed and built to minimize the induced perturbations on the liquid flow. To identify the physics of the liquid flow shadowgraphy technique and high-speed imaging were implemented. In order to provide a comprehensive study of the problem, the experiments were performed for a wide range of flow conditions and flow visualizations were presented. Jet Weber number and Gas Weber number were varied from 3 to 120 and 0.2 to 12, respectively Also, five regimes of the liquid flow including column, column/gravity, arcade, bag and multimode were recognized. A mapping with gas Weber number and momentum ratio as the determining variables, was suggested to distinguish these regimes from each other. Breakup length of the liquid jet was also measured. It was found that with the increase of jet Weber number the breakup length was increased at constant gas speed. Moreover, it was revealed that the breakup length was elongated with the increase of gas Weber number.

    Keywords: Parallel injection, rectangular liquid jet, liquid flow instability, Shadowgraphy
  • Rostam Akbari Kangarluei, Majid Abbasalizadeh *, Ahad Ramezanpour Page 8

    Pulsating heat pipes (PHPs) are one of the devices that can transfer a lot of heat while being simple and inexpensive. in industrial applications one of the major weaknesses of PHPs is their poor performance at angles close to the horizon. Previous studies have mostly been at 90, 60, 30, and 0 degree angles and have reported the weakness of PHPs in the 30 to zero angle range, but detailed studies has not been performed in this range. Therefore, the main purpose of this study is to experimentally investigate the performance of PHP at angles of deviation close to the horizon and to provide a more accurate critical inclination angle. the performance of PHPs was evaluated for the best filling percentage (60%) at different angles 0 to 90 degrees. the results showed that by reducing the PHP angle from 90 degrees to 15 degrees, the difference in thermal resistance for different heat input powers was very small, but this difference increased from angle of 10 to 0 degrees. Further studies showed that the percentage of difference in thermal resistance between angles 15, 10 and 5 with the average value of thermal resistance is 3%, 12% and 36%, respectively. Thus, it was found that the main weakness of pulsating heat pipes is from an angle of about 10 to 0 degrees.

    Keywords: experimental, Thermal resistance, pulsating heat pipe, filling ratio, inclination angles
  • Adel Chidan, Afrasiab Raisi *, Behzad Ghasemi Page 9

    In this study, the natural convection heat transfer within a triangular cavity with elastic diagonal walls containing a cylindrical heat source is investigated. The assumed fluid inside the cavity is air. The flexible diagonal walls of the cavity are considered to be at a constant cold temperature of Tc and the cylindrical heat source is at the hot temperature of Th. The governing equations are discretized using Galerkin finite element method and to describe the motion of the fluid, the arbitrary Eulerian-Lagrangian approach is used. In this study, the interaction of fluid and solid fields and the effect of cylindrical heat source position on flow and temperature fields are examined. For this purpose, the effect of Rayleigh number and changing the position of the heat source along the vertical centerline on the deformation of flexible walls, flow and temperature fields, and heat transfer rate are investigated. The results show that for a fixed position of the heat source, an increase in the Rayleigh number increases the maximum of the stream function, the average Nusselt number, and the deformation of the flexible walls. Also, the results show that the position of the heat source depending on the Rayleigh number has different effects on the temperature and flow fields.

    Keywords: Natural convection, Triangular cavity, Cylindrical heat source, Fluid-Structure Interaction, Flexible wall
  • Gholamreza Abdizadeh, Sahar Noori *, HamidReza Tajik, Mehran Shahryari, Mohammad Saeedi Page 10

    Due to the volume and mass limits of the small electronic devices, thin flat heat pipes are an ideal solution for the efficient transfer and dissipation of heat. The performance of thin heat pipes is heavily dependent on wick structure characteristics. In this research, the thermal performance of thin flat heat pipes (TFHPs) with hybrid and grooved wick for different heat inputs were studied numerically, and their heat transfer characteristics were compared. The trends of various parameters such as wall temperature, maximum axial velocity, mass transfer at the liquid-vapor interface, system pressure, and thermal resistance on the thermal performance of the TFHPs with hybrid and groove wicks were analyzed. The numerical simulation has been done using a two‐dimensional unsteady incompressible laminar flow. Results indicated that the evaporation section temperature of hybrid wick TFHP is significantly lower than the corresponding value of grooves heat pipe. It was also observed that with increasing heat input, thermal resistance of hybrid wick TFHP decreased and it has an excellent performance compared to the grooved wick. For heat fluxes of 10, 20, and 30 W, the performance of the TFHP with hybrid wick compared to grooved wick is improved by 3.59%, 20.38%, and 28.57%, respectively. Therefore, the thermal performance improvement of the TFHP with the hybrid wick was more significant. This improvement is more considerable for higher heat fluxes.

    Keywords: Flat Heat Pipe, Hybrid wick, evaporation, Phase change, High heat flux
  • Hamed Gholipour, Mohammad J. Kermani *, Rahim Zamanian Page 11

    The cathode side gas diffusion layer (GDL) in polymer electrolyte membrane fuel cells discharges out the water generated as a result of the electrochemical reaction through its porous medium. This paper criticizes the generated pore network models for GDLs assuming uniform injection of liquid water from the catalyst layer into GDL. These models lead to a roughly uniform distribution of liquid water saturation in the in-plane direction making no difference between under gas channel and under-rib regions which is in contradiction with the in-situ visualizations and imaging of GDLs. It has been attempted in this paper to couple the existing two-phase flow network models to other transport phenomena in GDL and also in other layers. To achieve this, the mentioned model is coupled to network models of oxygen and electron transport at the cathode side and also to a model of electrochemical reaction at catalyst layer and a proton transport model of the membrane. As a first result of modeling, the distribution of local water generation rate and also the temporal evolution of total water generation rate at catalyst layer are presented, the latter experiencing an approximate 50% reduction from start-up to steady state. The resulting water saturation distribution in GDL is strongly non-uniform, and maximums are observed under the ribs which is a direct result of non-uniform water generation at reaction sites.

    Keywords: Pore network model, Gas diffusion layer, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, two-phase flow, Coupling
  • Amirhamzeh Farajollahi *, Amirhossein Hejazi, Heshmat Gazori, Mohsen Rostami Page 12

    Nowadays, due to the extensive application of renewable-based co-generation systems and also the economic and the environmental necessities, their design and thermodynamic analysis has been conducted by many scientists.In this way, a novel, simple, and practical combined power and hydrogen cogeneration unit has been designed in the present study in which there are gas turbine, gasifier, trans critical Rankine cycle, and proton exchange membrane electrolyzer.This system has been analyzed from first and second laws of thermodynamics by engineering equation solver(EES).The proposed system is able to generate power and hydrogen simultaneously for users.The power and hydrogen production capacities of the system are 3.92 MW and 608.8 cubic meter per hour, respectively which consumes biomass about 1.155 kg/s. The energy utilization factor and second law efficiency ofthe system are 34.71 % and 29.44 %, respectively. It can be seen that the overall exergy destruction of the system is 11854 kW in which gasifier, gas turbine, and combustion chamber have the highest irreversibilities. In addition, it can be concluded that the exergy efficiency of condenser and heat exchanger 3 are the lowest ones among other equipments.According to the parametric studies,it was found that the increasing the inlet temperature ofthe gas turbine has a positive effect and the increasing the maximum pressure ofthe TCO2 cycle has a negative effect on the EUF and the second law efficiency ofthe system.

    Keywords: Firest, Second laws of thermodynamics analysis, MSW gasification, Hydrogen Production, Gas turbine, Trans critical Rankine cycle
  • Qasem Abdollah Nezhad *, Samad Jafarmadar, Shahram Khalilarya Page 13

    The use of liquid metal magnetic hydrodynamic energy units, despite reducing maintenance costs and improving reliability, requires a high-temperature source, which must be supplied by fossil fuels. The present study aims to cover this shortage by proposing a new design for liquid metal magnetic hydrodynamic power and desalination cogeneration plant by applying concentrating solar power. The results show that 73.2 kW and 21.06 m3/day power and freshwater can be produced by the proposed cogeneration plant, respectively. The energy utilization factor  and total exergy efficiency are 97.45 and 26.34%. The results also indicate that the receiver accounts for the highest exergy destruction, followed by the heliostat with 270.4 kW and 240.9 kW, respectively. Increasing the efficiency of the humidifier/dehumidifier or reducing the mass flow rate of the second magnetic hydrodynamic loop improves the energetic and exergetic performances of the system. Besides, the receiver and solar tower have the highest cost of investment and maintenance, and the total unit cost of the system is 103.4 $/GJ.

    Keywords: Liquid metal magneto-hydrodynamic(LMMHD), Cogeneration, Concentrating solar power(CSP), Humidification-dehumidification(HDH), Exergo-economic
  • AmirMohammad Jadidi *, Roholah Rafee, Mostafa Ramezani Page 14

    In this paper, the emission of pollutants in a cinema hall has been investigated using three air distributin systems. The simulation was performed using computational method and turbulence modeling was large vortex simulation (LES). In this study, the concentration of toxic gases of carbon monoxide and carbon dioxide as well as the heat generated by the fire in the exit doors of the cinema hall and escape routes have been investigated. Among air distribution systems, displacement ventilation and impingment jet were better in control of soot around 31%, in control of carbon monoxide 16% and in control of carbon dioxide 11% rather than stratum system. So impingment jet took carbon monoxide to 6.3 ppm and stratum ventilation system around 7.5 ppm. In the case of CO2 gas, two systems of displacement ventilation and impingment jet are recorded 330 ppm and also stratum ventilation recorded 370 ppm. In controlling the heat output from the cinema hall doors, the displacement ventilation systems and the impingment jet in door number 1 are 66.6% and in door number 2 the impingment jet system is 96% better than the stratum ventilation system.

    Keywords: air conditioning, Fire, Pyrosim, Carbon monoxide, LES
  • Sadegh Seddighi *, Abolghasem Abolghasemi Page 15

    One of the available methods for water desalination is capacitive deionization (CDI). In capacitive deionization systems where saline water passes through a channel with high contact surface electrodes. By applying voltage, the ions are absorbed under the electric field at the electrode surface, thereby reducing the salinity of water and leaving fresh water out of the system. Researchers have recently proposed various models to predict the behavior of a capacitive desalination device. The model used for the simulation is a one-dimensional transfer equation. to predict the output water concentration and identify the parameters affecting the performance of the capacitive ionization system. This study aims to investigate the efficiency of water desalination using changes in system operating parameters. The parameters studied in this study were current flow rate, applied current and inlet concentration, porosity, electrode cross-sectional area, and electrode length. The results showed that the most effective parameter in improving the "Charging current" performance by increasing 1.5 times the Charging current flow, the water desalination percentage increased by 72%, and the time required to reach maximum water desalination decreased by 76%.

    Keywords: Capacitive deionization, Ion exchange membrane, FTE configuration, water desalination