فهرست مطالب

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک - سال سی و سوم شماره 1 (بهار و تابستان 1400)

نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک
سال سی و سوم شماره 1 (بهار و تابستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/03/15
  • تعداد عناوین: 6
|
  • احسان امیری راد*، پریسا کاظمیانی نجف آبادی صفحات 1-16
    منابع زمین گرمایی یکی از منابع حرارتی تجدیدپذیر هستند. در مطالعه حاضر، ابتدا به امکان سنجی استفاده از یک چرخه کالینای مافوق گرم برای تولید توان از منابع زمین گرمایی در ایران پرداخته شده است. بااستفاده از تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی و ترمواکونومیکی، تاثیر پارامترهای عملیاتی شامل فشار توربین و غلظت آب- آمونیاک بر عملکرد چرخه کالینای مافوق گرم در دمای منبع حرارتی C170 بررسی شده است. نتایج نشان می دهد در دمای منبع حرارتی C170 و غلظت 65%، بیشترین کار خالص چرخه در فشار توربین  bar33/28 و کمترین هزینه اگزرژی تولید توان در فشار  bar44/19 اتفاق می افتد. هم چنین در فشار ثابت bar22، بیشینه کار خالص و کمینه هزینه اگزرژی تولید توان به ترتیب در غلظت %66 و غلظت %33/70 اتفاق می افتند. نهایتا کمینه کردن هزینه اگزرژی تولید توان به عنوان تابع هدف انتخاب شد و بااستفاده از الگوریتم ژنتیک مقادیر فشار توربین و غلظت آب- آمونیاک به طور هم زمان بهینه گردید. سرانجام، به منظور دست یابی به حداکثر عملکرد، برای دماهای مختلف منابع زمین گرمایی در ایران مقادیر بهینه فشار و غلظت در جدولی معرفی شد.
    کلیدواژگان: زمین گرمایی، چرخه کالینای مافوق گرم، ترمواکونومیک، بهینه سازی
  • احسان روحی*، رضا عرب پور صفحات 17-34
    این مقاله به بررسی و مطالعه آزمایشگاهی عملکرد پره های پمپ های رادیومتریک می پردازد. یک نمونه از این پمپ های رادیومتریک، رادیومتر کروکس است که شامل محفظه ای شیشه ای شکل است که درون آن خلا است. داخل این محفظه شیشه ای پره هایی برروی یک سوزن قرار دارند. یک طرف از این پره ها به صورت براق و سمت دیگر به صورت تیره هستند. در این پژوهش برای اولین بار مکانیزمی برای تعیین دما به صورت مستقیم از روی پره های سرد و گرم درنظر گرفته شده است. مشاهده می شود که نیروی اندازه گیری شده با اختلاف دمای میان دو سر پره متناسب است و این تناسب به صورت خطی است؛ اما این ارتباط تنها تا بیشینه اختلاف دما صادق است. سرعت زاویه ای پره ها نیز توسط یک تاکومتر لیزری اندازه گیری شده است. برای محاسبه نیرو از سرعت اندازه گیری شده استفاده شده است. این مطالعه در سه بخش صورت گرفته است. بخش اول (آزمایشگاهی)  ساخت یک نمونه رادیومتر کروکس است. بخش دوم شامل مطالعه و بازخوانی تحلیل جریان رادیومتریک و تیوری های مربوط به نیروی رادیومتریک می باشد و در بخش سوم مقایسه نتایج آزمایشگاهی و تیوری های موجود در قسمت آزمایشگاهی انجام شده است. این آزمایش در چهار فشار کاری 30 pa، 6 pa، 0.6pa، و 0.06 pa انجام شده است. هر فشار به ترتیب نماینده اعداد نودسن 0.05، 0.1، 1 و 10 و یک رژیم جریان است. بیشینه نیرو ها در فشار 6 pa و بیشینه سرعت در فشار 0.6 pa مشاهده شد که با داده های تیوری تطابق خوبی دارد.
    کلیدواژگان: جریان رقیق شده، جریان رادیومتریک، پمپ های رادیومتریک، رادیومتر کروکس
  • علیرضا عرب سلغار، نوروز حیدری، محمد شفیعی*، افشین ایرانمنش صفحات 35-52
    استفاده از پنجره های بزرگ در ساختمان های مدرن یکی از طرح های محبوب در بین معماران و طراحان ساختمان است ولی افزایش مصرف انرژی در ساختمان به دلیل تشدید درفت ناشی از پنجره های بزرگ از جمله محدودیت ها در مقابل اجرای این طرح می باشد. هم چنین عدم امکان استفاده از سیستم های گرمایشی سنتی در محل پنجره ها از مشکلات دیگر فرا روی اجرای این طرح می باشد. در این مطالعه رویکرد استفاده از سیستم گرمایش جابه جایی اجباری با هدف کاهش اثرات کوران در قالب سه چیدمان مختلف از دمنده هوای گرم که دارای جانمایی الف) در زیر پنجره، ب) در دیوارهای جانبی و ج) به صورت ترکیبی در زیر و بالای پنجره قرار گرفته است بااستفاده از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی شده است. بررسی نتایج بااستفاده از مقایسه توزیع دما و توزیع سرعت هوا برای هر سه چیدمان انجام شد و هم چنین آنالیز آسایش حرارتی بااستفاده از مدل فنگر برای هر سه حالت انجام گرفت. نتایج نشان دادند که حالت سوم با داشتن دمنده ترکیبی که در آن از دمنده هایی در پایین و بالای پنجره استفاده شده است دارای مطابقت قابل قبولی با استانداردهای آسایش حرارتی اشری و ایزو 7730 است، به طوری که در ارتفاع حساس مچ پا و ناحیه تنفسی در حالت نشسته و ایستاده، شاخص های مورد تحلیل در آسایش حرارتی در محدوده تعریف شده استاندارد قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: آسایش حرارتی، کوران، پوسته شیشه ای، دینامیک سیالات محاسباتی
  • شاهدالسادات علوی، مسعود ضیائی راد*، نیما جمشیدی صفحات 53-69

    در این مقاله، مسئله سوراخ کاری سطح استخوان جمجمه انسان به شکل نیم کره بااستفاده از جت آب به صورت عددی شبیه سازی سه بعدی شده است. شبیه سازی شامل هر دو بخش جریان و انتقال حرارت جت آب برخوردی و فرایند تراشه برداری سطح می شود. برای مدل سازی جریان دو فازی جت، از روش حجم سیال و برای سوراخ کاری سطح استخوان، از معادلات جانسون- کوک در روش اجزای محدود استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که ضرایب فشار و اصطکاک  روی سطح برخورد، بستگی به فاصله نازل از سطح دارند و فشار با کمتر شدن فاصله نازل از سطح در نقطه سکون افزایش می یابد. هم چنین با افزایش فاصله نازل از سطح، عدد ناسلت محلی در امتداد شعاع نیم کره و ماکزیمم ناسلت در نقطه سکون هر دو کاهش می یابند. اثر قطر نازل بر ضرایب فشار و اصطکاک نیز بررسی شد و دیده شد که فشار با افزایش قطر نازل در نقطه سکون افزایش خواهد یافت. تغییر سرعت جت نیز نشان داد که تغییر 20 درصدی این سرعت، اثر قابل توجهی بر ضرایب فشار و اصطکاک ندارد، ولی عدد ناسلت را افزایش می دهد. در مدل سازی فرایند سوراخ کاری سطح استخوان، از خواص و ضرایب واقعی جنس استخوان ازجمله ضریب پوآسن و مدول یانگ استفاده شد. مقایسه توزیع تنش ایجادشده در محل با دو معیار ترسکا و فون مایزز نشان می دهد که براساس پارامترهای پیشنهادی، سوراخ کاری به طرز مطلوبی انجام می پذیرد.

    کلیدواژگان: جت آب، سوراخ کاری جمجمه، شبیه سازی عددی، روش حجم محدود، روش اجزای محدود
  • محمدرضا سلیمی*، رسول عسکری، مجید حسنی صفحات 71-92

    یکی از موثرترین روش های تغییر بردار پیش رانش موتورهای جت، استفاده از نازل دارای دو گلوگاه و تزریق سوخت در گلوگاه بالادستی می باشد. پژوهش حاضر به بررسی عملکرد یک سیستم کنترل بردار تراست با هندسه نازل دارای دو گلوگاه می پردازد. تاثیر تزریق جانبی سوخت بر پارامترهای عملکردی نازل شامل ضریب تخلیه، ضریب تراست، زاویه برداردهی، بازدهی برداردهی، نسبت تراست به دبی جرمی و درصد افت تراست مورد مطالعه قرار گرفته است. در این پژوهش تزریق هفت سوخت مختلف شامل متان، اتان، پروپان، اکتان، سوخت دیزل، کروسین و نفت گاز به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که تزریق سوخت های سنگین تر موجب ایجاد ضریب تخلیه بالاتری می گردد؛ اما بیشترین زاویه برداردهی در جریان غیراحتراقی توسط سوخت دیزل و اکتان ایجاد می شود. به طور کلی می توان گفت که تزریق سوخت های سبک از نظر ضریب تراست، بازدهی برداردهی و نسبت تراست به دبی جرمی عملکرد بهتری دارند، ولی سوخت های سنگین از نظر ضریب تخلیه، زاویه برداردهی و درصد افت تراست بهتر می باشند.

    کلیدواژگان: کنترل بردار تراست، نازل دارای دو گلوگاه، ضریب تخلیه، زاویه بردارهی، بازدهی برداردهی
  • اکرم جهانبخشی، افشین احمدی ندوشن*، مرتضی بیاره صفحات 93-111

    در پژوهش حاضر خنک کاری مجموعه ای از باتری های لیتیوم- یون (انباره)، توسط چاه حرارتی (heat sink) میکروکانالی دارای میکرولوله های موجی شکل به همراه نانوسیال نقره- (آب- اتیلن گلیکول50%) بررسی شده است. برای حل معادلات و کوپل میدان سرعت و فشار، از نرم افزار انسیس- فلوینت و روش سیمپل (Simple) استفاده شده است. نتایج نشان می دهد، این سیستم می تواند دمای انباره لیتیوم- یون را بین 295 تا 305 درجه کلوین حفظ کند و در تمام غلظت های مطالعه شده، ماکزیمم اختلاف دمایی در سطح انباره، به ترتیب 5 و 7 درجه کلوین است. هم چنین مشخص شد که افزایش غلظت نانوسیال دمای یکنواخت تری را برای انباره فراهم می آورد و در رینولدزهای بالاتر، اگرچه توزیع دما یکنواخت تر است اما افزایش غلظت نانوسیال اثر محسوسی ندارد، مثلا در 300Re = با افزایش غلظت از صفر تا 1%، بهبود یکنواختی دمای سطح 5/4% است. از طرفی افزایش عدد رینولدز بر قدرت پمپاژ سیال خنک کننده تاثیر منفی دارد. هم چنین نرخ تولید آنتروپی حرارتی و اصطکاکی با افزایش کسر حجمی نانوذرات کاهش می یابد به طوری که در غلظت 1% میزان کاهش آنتروپی اصطکاکی نسبت به سیال خالص برابر 9% است.

    کلیدواژگان: خنک کاری، باتری های لیتیوم- یون، چاه حرارتی، موجی شکل، میکروکانال، میکرولوله، نانوسیال
|
  • Ehsan Amiri Rad *, Parisa Kazemiani-Najafabadi Pages 1-16
    Geothermal sources are one of the renewable heat sources. In the present study, at first, the feasibility of using a superheated Kalina cycle to generate power by geothermal sources in Iran has been investigated. Using thermodynamic and thermoeconomic analyses, the effect of operating parameters including turbine pressure and water-ammonia concentration on the performance of the superheated Kalina cycle at a heat source temperature of 170˚C has been investigated. The results show that at a heat source temperature of 170˚C and a concentration of 65%, the highest net power of cycle occurs at turbine pressure of 28.33 bar and the lowest exergy cost of power generation happens at the pressure of 19.44bar. Also, at a constant pressure of 22 bar, the maximum net power and minimum exergy cost of power generation occur at the concentration of 66% and 70.33%, respectively. Finally, minimizing the exergy cost of power generation was selected as the objective function and the values of turbine pressure and water-ammonia concentration were optimized simultaneously using a genetic algorithm. Eventually, in order to achieve maximum performance, for different temperatures of geothermal sources in Iran optimal values of pressure and concentration were introduced in a table.
    Keywords: Geothermal, superheated Kalina cycle, thermoeconomic, Optimization
  • Ehsan Roohi *, Reza Arabpour Pages 17-34
    This paper investigates and studies the vanes of radiometric pumps. An example of a radiometric pump is the Crooks radiometer, which consists of an airtight glass bulb containing a partial vacuum, with a set of vanes mounted on a spindle inside. One side of the vane is white, and the other side is black. In this study, for the first time, a mechanism to measure the temperature directly from hot and cold blades is considered. It is observed that the measured force is proportional to the temperature difference between the two blade ends, and this proportionality is linear. But this relationship is only valid up to the maximum temperature difference. The angular velocity of the blades was also measured by a laser tachometer. The measured velocity is used to calculate the force. This study has been performed in three parts. Part 1 (Laboratory): Designing and constructing a radiometer with different types of vanes. Part II includes the study and review of radiometric flow analysis and theories related to radiometric force. In the third part, a comparison of laboratory results and theories is reported. The tests were performed at four working pressures of 30 pa, 6 pa, 0.6pa, and 0.06 pa. These pressures represent the Knudsen numbers of 0.05, 0.1, 1 and 10 and different flow regimes, respectively. Maximum forces were observed at a pressure of 6 pa and maximum velocity at 0.6 pa, which is in a cooperative agreement with the theoretical data.
    Keywords: Rarified flow, Radiometer pumps, Radiometric force, Crookes radiometer
  • Alireza Arabsolghar, Nowrouz Heidari, Mohammad Shafiey Dehaj *, Afshin Iranmanesh Pages 35-52
    Employing large windows in the modern buildings is one the most popular approach among architects and buildings designers but the increase of energy consumption of the building due to down draught effects caused by large windows is one of the challenges against this type of design. Also, preventing of utilizing traditional heating system adjacent to the window is another concern of the approach. In this study, the use of forced convection heating system to mitigate the down-draught effects is simulated by computational fluid dynamic method for three different configurations of the warm air registers mounted (a) under the window; (b) alongside walls and (c) in mixed form under and above the window. The results were investigated by comparing air temperature and velocity distribution in the space and also the thermal comfort conditions were analyzed through Fenger model. The results showed that the third configuration of the inlet registers which they are installed beneath and above the window, is in satisfactory concord to ASHRAE standards and ISO 7730 such that at ankle and breathing height of sitting and standing position, the comfort condition indexes are in regular range of the standards.
    Keywords: Thermal comfort, down-draught, glazing envelope, computational fluid dynamic
  • Shahed-Al-Sadat Alavi, Masoud Ziaei-Rad *, Nima Jamshidi Pages 53-69

    In this paper, the problem of perforation of the human cranial bone surface in the shape of a hemisphere using a water jet is numerically simulated in three dimensions. The simulation involves both the flow and heat transfer of the impinging water jet, and surface perforation process. The volume of fluid method was used to model the jet two-phase flow, and Johnson-Cook equation in finite element method was applied for perforating the bone surface. The obtained results show that the pressure and friction coefficients on the surface depend on the nozzle distance from the surface, and the pressure at the stagnation point increases as the nozzle distance decreases. Also, by increasing the nozzle distance, local Nusselt number along the hemisphere radius as well as maximum Nusselt decreases at the stagnation point. The effect of nozzle diameter on pressure and friction coefficients was also investigated and found that the pressure at stagnation point is increased by the nozzle diameter. The change in the jet velocity also showed that a 20% change in velocity has no significant effect on the pressure and friction coefficients, while increases the Nusselt number. In modeling the perforation process, actual properties and coefficients of bone material, such as Poisson's coefficient and Young's modulus were used. Comparison of on-site stress distribution based on Tresca and von Mises criteria showed that according to the proposed parameters, the perforation is performed properly.

    Keywords: water jet, cranial bone perforation, Numerical simulation, Finite-volume method, Finite-element method
  • MohammadReza Salimi *, Rasoul Askari, Majid Hasani Pages 71-92

    Today, the Dual-throat Nozzles are known as one of the most effective approaches for fluidic thrust vectoring. The present study investigates the performance of a dual throat fluidic thrust-vectoring nozzle. The impacts of fuel secondary injection on performance parameters including discharge coefficient, system thrust ratio, pitch thrust-vector angle, pitch thrust-vectoring efficiency, thrust-to-mass-flow ratio and thrust-loss percentage are presented. Injection of seven different fuels including methane, ethane, propane, octane, diesel fuel, kerosene and gasoil have been investigated. Both reacting and non-reaction conditions have been studied. The results show that heavier fuels provide higher discharge coefficients. On the other hand, light fuels have higher thrust ratios. In the non-reacting conditions, diesel fuel and octane have the largest thrust-vector angle,. In general, light fuels offer a better performance in terms of thrust ratio, thrust-vectoring efficiency and thrust-to-mass-flow ratio, whereas heavy fuels have a better performance in terms of discharge coefficient, thrust-vector angle and thrust-loss percentage.

    Keywords: Thrust-vectoring, Dual throat nozzle, Discharge coefficient, Thrust-vector angle, Thrust-vectoring efficiency
  • Akram Jahanbakhshi, Afshin Ahmadi Nadooshan *, Morteza Bayareh Pages 93-111

    In the present study, the cooling of a pack of lithium-ion batteries in micro-channel heatsink with wavy microtubes was investigated in the presence of silver/water-ethylene glycol (50:50) nanofluid. ANSYS FLUENT software and SIMPLE method are used to solve the equations and coupling of velocity and pressure fields. The results show that this system can maintain the lithium-ion temperature between 295 and 305 K. At all studied concentrations, the maximum temperature difference at the surface is 5 and 7 K, respectively. It is also found that increasing the nanofluid concentration provides a more uniform temperature. At higher Reynolds numbers, although the temperature distribution is more uniform, increasing the nanofluid concentration has no significant effect. For example, at Re = 300, the improvement of surface temperature uniformity is 4.5% with increasing the concentration from zero to 1%. On the other hand, an increment in the Reynolds number has a negative effect on the pumping power of the coolant. Also, the rate of thermal and frictional entropy generation decreases with the volume fraction of nanoparticles, so that at a concentration of 1%, the rate of reduction of frictional entropy relative to pure fluid is 9%.

    Keywords: Lithium-ion battery cooling, heat sink, microchannel, microtube, Nanofluid