فهرست مطالب

نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک
سال سی و سوم شماره 2 (پاییز و زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/03/18
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمدرضا کلاته، علی کیانی فر*، محمد سردارآبادی صفحات 1-22

    تاکنون پژوهش‫های آزمایشگاهی زیادی در زمینه قرار دادن انواع مانع جریان در کلکتور خورشیدی انجام شده است اما تاثیر استفاده از مانع نوار تابیده داخل کلکتور یک واحد فتوولتاییک حرارتی انجام نشده که برای اولین بار در این پژوهش به صورت آزمایشگاهی صورت می‫گیرد. ده نوع نوار تابیده برگرفته از تحقیقات پژوهشگران در گذشته که دارای بالاترین کارایی نسبت به سایر موانع جریان در داخل لوله بودند به منظور بررسی و تعیین بهترین نوار انتخاب شدند. باتوجه به هزینه های بالای مواد و لوازم مصرفی، تجهیزات مورد نیاز، تولید نوارهای تابیده و انجام آزمایش ها، بررسی نوارهای تابیده مذکور برای انتخاب بهترین نوار تابیده به صورت عددی انجام خواهد شد؛ لذا به منظور صحه گذاری مدل سازی عددی، بستر آزمایشگاهی برای انجام آزمایش های لوله صاف بدون/با نوار تابیده ساده آماده گردید. پس از صحه گذاری مدل عددی، بررسی عددی 10 نوع نوار تابیده منتخب (با اشکال مختلف) در شرایط یکسان انجام و بهترین نوار تابیده (دارای بالاترین کارایی) انتخاب شد. درنهایت، نوار تابیده منتخب در لوله‫ های کلکتور (مدل هدر- رایزر) واحد فوتوولتاییک حرارتی جای گذاری و اثر آن به صورت آزمایشگاهی با شبیه ساز خورشیدی ارزیابی گردید.

    کلیدواژگان: انرژی خورشیدی، موانع جریان داخل لوله، نوار تابیده، نوار تابیده منتخب، فوتوولتاییک حرارتی
  • حسن شکراللهی*، رضا بیگ پور صفحات 23-40
    در این پژوهش تجزیه و تحلیل خمش غیرخطی یک تیر کامپوزیتی تقویت شده توسط پلاکت های گرافن با توزیع غیر یکنواخت در راستای ضخامت، بررسی و ارایه شده است. معادلات دیفرانسیل غیرخطی حاکم در این پژوهش بر اساس نظریه تغییر شکل برشی مرتبه اول و اصل حداقل انرژی پتانسیل، استخراج شده و با استفاده از روش مربعات دیفرانسیلی هارمونیک حل شده است. خواص مکانیکی و مدول الاستیک موثر کامپوزیت تقویت شده با پلاکت گرافن با استفاده از مدل میکرومکانیکی هالپین- تسای اصلاح شده محاسبه شده است. همچنین، از قاعده اختلاط برای تعیین نسبت پواسون موثر استفاده شده است. ابتدا، مطالعات مقایسه ای بین تیرهای استاندارد کامپوزیتی مدرج تابعی و تیرهای تقویت شده با پلاکت های گرافن، ارایه شده است و سپس اثرات شرایط مرزی، کسر وزنی و الگوی توزیع پلاکت های گرافن و تعداد کل لایه ها بر ویژگی های خمش غیرخطی تیرهای کامپوزیتی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج این پژوهش نشان دهنده قابلیت بالای روش پیشنهادی برای حل مسایل غیرخطی و بدست آوردن رفتار خمشی تیرهای کامپوزیتی تقویت شده، می باشد. همچنین مطالعات پارامتری نشان می دهد با افزایش کسر وزنی پلاکت های گرافن، استحکام خمشی تیر بهبود یافته و خیز تیر کاهش می یابد. علاوه بر این، افزایش تعداد کل لایه های کامپوزیت تقویت شده با پلاکت گرافن، سبب می شود که توزیع تنش در راستای ضخامت تیر هموارتر شود.
    کلیدواژگان: تحلیل غیرخطی تیر، خمش، کامپوزیت، پلاکت های گرافن، مربعات دیفرانسیلی هارمونیک
  • محمدجواد رمضانی، میثم محمدی* صفحات 41-54

    در پژوهش حاضر اثر شکل پرتابه های مختلف بر پاسخ و خیز چند لایه های تقویت شده با الیاف شیشه و کربن به روش تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. هشت نمونه از ورق های شش لایه کامپوزیتی به ابعاد 25×25 سانتی متر با الیاف شیشه و کربن و رزین اپوکسی 3001 تحت تست ضربه سرعت پایین قرار گرفته اند. همچنین از پرتابه های کروی و نیمه کروی فولادی با جرم 680 گرم و قطر 55 میلی متر استفاده شده است. ارتفاع سقوط آزاد پرتابه ها 1 و 5/1 متر در نظر گرفته شده است که منجر به ایجاد انرژی ضربه معادل 7/6 و 10 ژول شده است. برای حل عددی از بسته اجزاء محدود ANSYS و LS-DYNA استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که بیشینه خیز در مرکز ورق برای هر دو نمونه کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه و کربن با پرتابه کروی رخ می دهد. همچنین مشاهده شد که خیز ورق های کامپوزیت تقویت شده با الیاف شیشه و کربن در اثر برخورد پرتابه نیمه کروی از ارتفاع 1 متر به ترتیب 3/34% و 7/18% در مقایسه با برخورد پرتابه کروی کاهش یافته است.

    کلیدواژگان: ضربه سرعت پایین، خیز ورق، کامپوزیت تقویت شده با الیاف شیشه، کامپوزیت تقویت شده با الیاف کربن، حل عددی
  • امید دیمی، سید عبدالرضا گنجعلیخان نسب* صفحات 55-82

    با توجه به اهمیت روزافزون استفاده از انرژی های پاک و تجدیدپذیر، یکی از ساده ترین مکانیزم های تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی حرارتی، در مقیاس غیرنیروگاهی، استفاده از هوا گرم کن های خورشیدی است که همواره به عنوان ایده ای جذاب برای پژوهشگران مطرح بوده است. از این رو، پژوهش حاضر، به مطالعه تاثیر فاصله هوایی بر عملکرد هواگرم کن های صفحه ای خورشیدی با دو پوشش شیشه ای، از طریق شبیه سازی های عددی، می پردازد. مطالعه ای که مشابه آن در مراجع تحقیقاتی مختلف تاکنون گزارش نشده است. بدین منظور، معادلات حاکم بر جریان جابجایی اجباری هوای عبوری از داخل کانال هواگرم کن و همچنین جریان جابجایی طبیعی در فاصله هوایی بین دو پوشش شیشه ای به دلیل وجود نیروی شناوری، با بکارگیری روش المان محدود و استفاده از نرم افزار کامسول، حل عددی شده اند. به علاوه، به منظور تعیین میدان دما در اجزای جامد هواگرم کن، شامل شیشه، صفحه جاذب و لایه عایق، حل معادلات هدایت حرارتی هم زمان با معادلات جریان صورت گرفته است. صحت شبیه سازی های عددی انجام شده در این پژوهش، از طریق مقایسه با یافته های عددی و تجربی پژوهش های پیشین مورد ارزیابی قرار گرفته، که سازگاری قابل قبولی در این خصوص به دست آمده است. نتایج حاصل بیانگر تاثیر مثبت حضور لایه هوای بین دو شیشه بر عملکرد هواگرم کن های صفحه ای خورشیدی بوده، به طوری که با تغییر دبی جریان هوا از 2 تا 14 گرم بر ثانیه عملکرد این نوع از هواگرم کن ها در شار تابشی 1000 وات بر مترمربع در مقایسه با مدل ساده و بدون فاصله هوایی افزایش راندمانی در حدود 4 تا 6 درصد را نشان داده است. همچنین، در شرایط دبی جریان ورودی 9.6 گرم بر ثانیه و شار تابشی متغیر بین 400 تا 1200 وات بر مترمربع، استفاده از دو پوشش شیشه ای، در مقایسه با مدل ساده، موجب افزایش دمای هوای خروجی در حدود 2 تا 6 درجه سانتی گراد شده است.

    کلیدواژگان: تابش خورشیدی، هوا گرم کن صفحه ای، جابجایی طبیعی، جابجایی اجباری، عملکرد حرارتی
  • مهدی نیکنام عضدی، محمد مقیمان* صفحات 83-92
    در پژوهش حاضر به کمک ابزار دینامیک سیالات محاسباتی سه نوع لوله تابشی مستقیم، U شکل و W شکل با هم مقایسه شده اند. هندسه ها پس از طراحی، در نرم افزار گمبیت شبکه بندی شدند. استقلال از شبکه نیز برای هندسه Wشکل که پیچیده ترین هندسه بود انجام شد. نتایج تحقیق نخست نشان داد که مقدار انتشار آلاینده اکسید نیتروژن در لوله تابشی U شکل در مقایسه با لوله های تابشی مستقیم و W شکل بیشترین مقدار و در نوع W شکل کمترین مقدار است. لوله تابشی W شکل نسبت به دو نوع دیگر دارای راندمان بیشتری (3/55 %) است. همچنین نسبت انتقال حرارت تابشی از سطح دیواره به کل انتقال حرارت از سطح دیواره در هر سه نوع لوله تابشی بالا و بیش از 90 درصد است. با فاصله گرفتن از دیوار لوله تابشی در هر سه نوع لوله مقدار تابش بر واحد سطح کاهش می یابد. همچنین بیشترین مقدار شدت تابش مربوط به لوله W شکل و پس از آن U شکل و درنهایت کمترین مقدار مربوط به لوله مستقیم می باشد.
    کلیدواژگان: احتراق، لوله تابشی، آلاینده&rlm، ها، دمای سطح
  • پویا مختاری، فرهاد حاجی ابوطالبی*، حمید بهشتی، محمدرضا اشرف خراسانی صفحات 93-104

    سلول های خورشیدی فضایی معمولا از جنس گالیوم-آرسناید ساخته شده و کاربرد بسیار زیادی دارند. آرایه های فوتوولتاییک، الکتریسیته پایدار و تجدیدپذیری را تولید می کنند که عمدتا در موارد عدم وجود شبکه انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارند. مشابه یک کامپوزیت لایه ای، سلول های خورشیدی از لایه های مختلفی مانند لایه شیشه ای، لایه شفاف، لایه سیلیکون منفی و لایه سیلیکون مثبت تشکیل می گردند. لایه شیشه ای یکی از مهم ترین لایه های تشکیل دهنده سلول خورشیدی بوده که در معرض مستقیم تابش انرژی خورشید قرار گرفته و در طی یک شبانه روز تغییرات دمایی زیادی را تجربه می کند. به دلیل متفاوت بودن ضرایب انبساط حرارتی لایه های مختلف، به وجود آمدن ترک در لایه شیشه ای امری محتمل است. وجود یک یا چند ترک اولیه میکروسکوپی در این لایه و گرادیان شدید دمای محیط منجر به رشد ترک و در نتیجه شکست یا تخریب لایه شیشه ای و هم چنین عملکرد نادرست سلول خورشیدی خواهد گردید. در این تحقیق رشد ترک در لایه شیشه ای سلول خورشیدی به روش اجزای محدود توسعه یافته شبیه سازی شده و تاثیر طول، مکان و زاویه ترک اولیه و هم چنین ضخامت و ابعاد لایه بررسی می گردد. نتایج شبیه سازی های عددی آشکار می کند که از بین پارامترهای فوق، ابعاد لایه شیشه ای محافظ بیشترین تاثیر را در رشد ترک دارد.

    کلیدواژگان: سلول خورشیدی گالیم-آرسناید، تغییرات دمایی، رشد ترک، روش اجزای محدود توسعه یافته
|
  • MohammadReza Kalateh, Ali Kianifar *, Mohammad Sardarabadi Pages 1-22

    So far, many experimental researches have been done in the field of placing various inserts in the solar collector, but the effect of using the twisted tape insert inside the collector of a thermal photovoltaic unit (PV/T) isn’t done and for the first time in this research it is accomplished experimentally. Last researches were investigated to determine which type of twisted tapes had the highest efficiency. Meanwhile, ten types of twisted tape inserts were selected to evaluate. Due to the high cost of materials needed to fabricate twisted tapes, the evaluation of the ten twisted tapes was performed numerically. Therefore, in order to validate numerical modeling, an experimental apparatus was prepared to perform smooth tube experiments without / with a simple twisted tape. After validating the numerical model, numerical examination of ten selected twisted tapes (with different shapes) was carried out in the same conditions and the best one (with the highest efficiency) was selected. Finally, the best twisted tape insert was placed in the collector tubes (header-raiser model) of the PV/T system and its effect was evaluated using indoor experimental tests.

    Keywords: Solar energy, tube fitted with insert, selected twisted tape, thermal photovoltaic
  • Hassan Shokrollahi *, Reza Beigpour Pages 23-40
    The nonlinear bending analysis of a composite beam reinforced by graphene platelets (GPL) nanofillers having nonuniform distribution through the thickness, is presented. Governing nonlinear differential equations are derived based on the first order shear deformation theory with the aid of minimum potential energy principle. The nonlinear differential equations are solved using harmonic differential quadrature method (HDQM). The modified Halpin-Tsai model is implemented to determine the effective Young’s modulus of graphene platelet reinforced composite (GPLRC) beams. Moreover, the rule of mixture is used for definition of the effective Poisson’s ratio. At first, conventional nanocomposite beams are studied for evaluation of the applicability of the proposed method for nonlinear bending analyses. Then for the beams reinforced by graphene platelets, the effects of some parameters including boundary conditions, number of layers, weight fraction and distribution pattern of graphene platelet on the nonlinear bending characteristics of the GPLRC beams, are investigated. This study shows the capability of the proposed method to solve the nonlinear problems and to get the beams behavior under bending loading. In addition, by increasing the weight fraction of graphene platelets in the beam, the bending strength of the beam improves and the beam deflection decreases. Moreover, increasing the number of layers for GPLRC tends to smoother variation of stress through the beam thickness.
    Keywords: Beam nonlinear analysis, bending analysis, nanocomposite beams, graphene platelets, harmonic differential quadrature method
  • MohammadJavad Ramezani, Meisam Mohammadi * Pages 41-54

    In the present study, the effect of different projectiles on the carbon and glass fiber reinforced laminated composites is investigated experimentally and numerically. 8 samples of six-layers composite sheets with dimensions of 25×25 cm reinforced with glass and carbon fibers and epoxy resin3001 are subjected to low velocity impact. Also, spherical and semi-spherical steel projectiles of 680 grs weight and 55 mm diameters are used. Drop weight height of projectiles are supposed to be 1 and 1.5 m which leads to equivalent 6.7 and 10 J of impact energy. ANSYS and LSDYNA packages are used for numerical study. Results show that maximum deflection is occurred at the center of laminates for carbon and glass reinforced samples by the spherical projectiles. In addition, it is seen that deflection of carbon and glass laminated composites due to the impact of semi-spherical projectile reduces 18.7% and 34.3% respectively in comparison with the spherical projectile.

    Keywords: Low velocity impact, Plate deflection, Glass reinforced laminated composite, Carbon reinforced laminated composite, Numerical study
  • Omid Deymi, Seyyed Abdolreza Gandjalikhan-Nassab * Pages 55-82

    Due to the increasing importance of using clean and renewable energies, one of the simplest mechanisms for converting solar radiant energy into thermal energy, on non-industrial applications, is the use of solar air heaters, which has always been an attractive idea for researchers. Therefore, the present study investigates the effect of air gap on the performance of plane solar air heaters with two glass covers by means of numerical simulations. A similar study has not been yet reported in various research resources. For this purpose, the equations governing the forced convection flow of air passing through the heater duct and also the natural convection flow caused by the buoyancy force in the air gap between two glass covers are numerically solved by applying the finite element method and using COMSOL Multiphysics software. In addition, in order to determine the temperature field in the solid elements of the air heater (including glass cover, absorber plate and insulation layer), conduction heat transfer equations are simultaneously solved with the flow equations. The accuracy of the numerical simulations performed in this research has been evaluated by comparing those with the theoretical and experimental findings of previous researches, and an acceptable consistency and agreement has been obtained in this regard. The results demonstrate the desired effect of the presence of air gap between the two covers on the performance of plane solar air heaters, such that changing the air flow rate from 2 to 14 g/s, the performance of this type of air heaters at a radiant heat flux of 1000 W/m2 compared to the simple model (without air gap) has shown an increase in efficiency about 4 to 6 percent. Also, in the conditions of inlet flow rate of 9.6 g/s and radiant heat flux varying between 400 to 1200 W/m2, the use of two glass covers has increased the outlet air temperature about 2 to 6 °C, compared to the simple model.

    Keywords: Solar radiation, Plane Air Heater, Natural convection, Forced convection, Thermal performance
  • Mahdi Niknam-Azodi, Mohammad Moghiman * Pages 83-92
    In the present study, with the aid of computational fluid dynamics tools three different radiant tubes including straight, u-shape and w-shape were compared. After designing the geometry, the grids generated for geometries in Gambit software. Grid independence was also performed for the W-shaped geometry, which was the most complex geometry. Firstly, the results showed that the amount of nitrogen oxide emission in the U-shaped radiant tube is the highest compared to direct and W-shaped radiant tubes and the lowest was in the W-shaped type. W-shaped radiant tube had the highest efficiency (55.3%) among all radiant tubes. Besides, the ratio of radiant heat transfer from the tube wall surface to the total heat transfer from it in all three types of radiant tubes was high and more than 90%. By moving away from the wall of the radiant tube in all tubes, the amount of radiation per unit area decreases. Furthermore, the highest amount of radiation intensity was devoted to the W-shaped tube, then the U-shaped tube, and finally the lowest amount was related to the direct tube.
    Keywords: Combustion, Radiant tube, pollutants, Surface Temperature
  • Pouya Mokhtari, Farhad Haji Aboutalebi *, Hamid Beheshti, MohammadReza Ashraf Khorasani Pages 93-104

    Space solar cells are usually made of gallium-arsenide and have many applications. Photovoltaic arrays generate stable and renewable electricity, which are mainly used in the absence of electrical transmission and distribution network. Similar to a layered composite, solar cells consist several layers such as glass layer, transparent layer, negative silicon layer, and positive silicon layer. The glass layer is one of the most important components of the solar cell, which is directly exposed to solar energy radiation and experiences many temperature changes during the day and night. Due to the different coefficients of thermal expansion of different layers, cracking of the glass layer is possible. The presence of one or more primary microscopic cracks in this layer and the extreme ambient temperature gradient will lead to the crack growth, resulting the failure or destruction of the glass layer, as well as improper functioning of the solar cell. In this research, crack growth in the glass layer is simulated by the extended finite element method and the effect of the length, location and angle of the initial crack as well as the thickness and dimensions of the layer are investigated. The results of numerical simulations reveal that among the above parameters, the dimensions of the protective glass layer have the greatest impact on the crack growth.

    Keywords: Gallium-Arsenide Solar Cell, Temperature Gradient, Crack Growth, Extended finite element method