فهرست مطالب

مهندسی مکانیک شریف - سال سی و هشتم شماره 1 (بهار و تابستان 1401)

مجله مهندسی مکانیک شریف
سال سی و هشتم شماره 1 (بهار و تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/05/01
  • تعداد عناوین: 10
|
  • مصطفی نصیری*، مرتضی منتظری، مرضیه رضازاده صفحات 3-12
    شبیه سازی سخت افزار در حلقه واحد کنترل سوخت یک موتور توربین گاز هوایی ارایه شده است. واحد کنترل سوخت، شامل یک شیر کنترل تناسبی است که در آن سروموتور و بادامک باعث حرکت اسپول شیر کنترل جریان می شود. در این شبیه سازی، واحد کنترل سوخت واقعی در کنار شبیه سازی زمان واقعی موتور توربین گاز هوایی، آزمایش و ارزیابی می شود. دبی خروجی از واحد کنترل سوخت توسط یک دبی سنج اندازه گیری و به شبیه ساز ارسال می شود. برای اتصال واحد الکتروهیدرولیکی به رایانه شبیه ساز، نیاز به عملگرها و حسگرهای اضافی به عنوان سیستم انتقال است که در موتور واقعی وجود ندارد. دینامیک سیستم انتقال می تواند باعث کاهش دقت شبیه سازی سخت افزار در حلقه شود. برای جبران اثر دینامیکی ناخواسته ناشی از سیستم انتقال، از روش پیش بینی برمبنای مدل استفاده شده است. مقایسه ی نتایج شبیه سازی سخت افزار در حلقه به صورت تجربی بیان گر توانایی روش پیش بینی برمبنای مدل در کاهش خطای شبیه سازی به کم تر از 5٪ است.
    کلیدواژگان: سخت افزار در حلقه، واحد کنترل سوخت، موتور توربین گاز هوایی، پیش بینی برمبنای مدل
  • فردین نعمت زاده*، سید خطیب الاسلام صدر نژاد، مجید سیدصالحی صفحات 13-21

    استنت از جنس آلیاژ هوشمند می تواند با کاهش مشکلاتی نظیر استحکام شعاعی ناکافی و رفتار دینامیکی نامناسب نسبت به سایر استنت ها برای استفاده در عروق محیطی به کار رود. در این مقاله با استفاده از روش المان محدود رفتار مکانیکی دو نوع استنت از جنس آلیاژ هوشمند با خواص متالورژیکی و مکانیکی متفاوت مورد مطالعه قرار گرفت. ارزیابی استنت ها با اعمال کرنش محوری(لهیدگی) مطابق استاندارد انجام شد. مدل ماده های مورد استفاده به منظور توصیف خواص ماده استنت از جنس آلیاژهای هوشمند بر اساس انرژی ترمودینامیکی آزاد هلمهولتز و انرژی ترمودینامیکی آزاد گیپس بود. با تغییر دمای پایان آستنیتی از 293 تا 303 درجه کلوین (حدود 10 درجه کلوین)، اختلاف تنش های مسطح بالایی و پایینی به میزان 40 مگاپاسکال (معادل حدود 12 درصد) افزایش یافت. نتایج کلی بیان گر رفتار مطلوب مکانیکی و کلینیکی استنت با دمای پایان آستنیتی (Af}) بالاتر بدلایلی نظیر نیروی مناسب اعمالی به عروق، استحکام مقاومتی شعاعی و حلقه هیسترزیس کامل وابسته به رفتار ابرکشسانی بعلاوه تنش کمتر و کرنش بیشتر بود. این مطالعه عددی یک راه مناسبی برای بررسی رفتار مکانیکی استنت های هوشمند مورد کاربرد در عروق محیطی با توجه به اثرات خواص متالورژیکی و مکانیکی است.

    کلیدواژگان: آلیاژهای حافظه دار، استنت، عروق محیطی، روش المان محدود
  • ناصر فیروزی، فرزام دادگر راد*، سید رضا فلاحتگر صفحات 23-34

    هدف این مقاله فرمول‌بندی و شبیه‌سازی عددی پدیده‌ی رشد در پوست تحت بارگذاری مکانیکی است. ویژگی اصلی و نوآوری تحقیق حاضر آن است که پوست را به عنوان یک غشای دارای انحنای اولیه در نظر می‌گیرد که از معادلات ساختاری مواد هایپرالاستیک تبعیت می‌کند. در ابتدا سینماتیک غشاها تحت تغییرشکل‌های بزرگ فرمول‌بندی شده و تانسورهای اساسی مربوطه معرفی می‌شوند. سپس فرمول‌بندی مکانیک رشد و حالت خاص آن برای غشاها ارایه می‌شود. در ادامه، جهت حل عددی معادلات حاکم، یک فرمول‌بندی المان محدود غیرخطی لاگرانژی کامل توسعه داده می‌شود. در نهایت دو مثال عددی برای رشد و تغییرشکل بزرگ پوست به صورت صفحه‌ی تخت و با سه هندسه‌ی مربعی، دایره‌یی و مستطیلی و همچنین در حالت غیر تخت با انحنای اولیه به صورت یک قطاع استوانه‌یی تحت اعمال فشار خارجی مورد مطالعه و بررسی قرار می‌گیرند. با وجود آن که مدل ارایه شده در این مقاله بسیار ساده‌تر از مطالعات پیشین است، اما نتایج حاصل از آن با نتایج موجود در مطالعات پیشین مطابقت می‌کند. همچنین، حجم محاسبات عددی و مقدار فضای حافظه‌ی مورد نیاز به میزان قابل توجهی توسط فرمول‌بندی حاضر کاهش می‌یابد، به طوری که تعداد المان‌های غشای به کار رفته در مدل‌سازی کنونی کم‌تر از 5/1 درصد تعداد المان‌های سه‌بعدی است که در تحقیقات پیشین مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین، نسبت جرمی حاصل از رشد پوست نیز برای سطح مقطع‌های متفاوت محاسبه می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که جرم پوست حاصل از رشد در مثال‌های در نظر گرفته شده، بیش از سه برابر جرم پوست پیش از رشد است.

    کلیدواژگان: مکانیک رشد، پوست، غشا، هایپرالاستیسیته، المان محدود غیرخطی
  • محمدجواد فردادی شیل سر، مهدی مظاهری*، جمال محمدولی سامانی صفحات 35-49

    در این پژوهش، با روش تبدیل لاپلاس حل تحلیلی معادله ی انتقال آلودگی در دامنه ی محدود برای شبکه ی رودخانه به ازای شرایط مرزی بالادست و پایین دست دیریکله و شرط اولیه ی صفر استخراج شد و شبیه سازی برای دو شبکه ی شاخه یی و حلقه یی با شرایط مرزی ثابت و متغیر انجام شد. بعد از نام گذاری گره ها، با تشکیل ماتریس های نحوه ی اتصال، مشخصات جریان و هندسی رودخانه برای هر شبکه به عنوان ورودی مسیله، ماتریس انتشار براساس تابعی از متغیر s لاپلاس ایجاد می شود که با حل دستگاه پیچیده ی ایجاد شده و استفاده از تبدیل لاپلاس معکوس، مقدار غلظت در هر گره محاسبه می شود. در نهایت برای اعتبارسنجی، حل تحلیلی با حل عددی مقایسه و سپس شاخص های خطای آماری محاسبه شد. در شبیه سازی های انجام شده، به علت تغییر دبی ورودی به هر شاخه و تغییر سطح مقطع جریان در هر شاخه، در محل های اتصال شاخه ها به یکدیگر تغییرات غلظت آلودگی به صورت افزایشی یا کاهشی رخ می دهد. نتایج حاکی از عملکرد مطلوب و توانایی بالای حل تحلیلی در مدل سازی دو شبکه ی مذکور و انطباق خوب آن با حل عددی است که به دلیل دقت و سرعت محاسبات بالا می تواند جایگزین حل عددی شود. همچنین از حل تحلیلی موجود می توان به عنوان ابزاری برای صحت سنجی سایر حل های تحلیلی در شبکه ی رودخانه استفاده کرد.

    کلیدواژگان: حل تحلیلی، روش تبدیل لاپلاس، معادله ی جابه جایی پراکندگی واکنش، شبکه ی رودخانه، تابع توزیع غلظت
  • محمدمهدی عطایی، حسین نجات پیشکناری، حسن سالاریه* صفحات 51-62

    در این مقاله کنترل مرزی مبتنی بر مشاهده گر معادلات جزیی برای وضعیت و ارتعاشات یک فرم کلی از ماهواره های انعطاف پذیر و با لحاظ پیچش و خمش توام ارایه شده است. دینامیک وضعیت بدنه ی صلب و ارتعاشات صفحات خورشیدی یک دستگاه معادلات دیفرانسیل مرتبط معمولی و جزیی را تشکیل می دهد که در این مقاله مستقیما و بدون گسسته سازی کنترل می شود. در روش ارایه شده کمینه تعداد سیگنال پسخوراند از مرز قابل استفاده است که توسط مشاهده گر تخمین زده می شود. بنابراین فقط داده های وضعیت ماهواره و آهنگ تغییرات آن بایستی اندازه گیری شود ولی همچنان سیستم کنترل از اطلاعات مربوط به ارتعاشات در اجزای گسترده بهره می برد. پایداری مجانبی سیستم مدار بسته اثبات می شود و از طریق شبیه سازی اجزای محدود، عملکرد مناسب این کنترل کننده ی مرزی مبتنی بر مشاهده گر نشان داده می شود.

    کلیدواژگان: مشاهده گر معادلات جزیی، کنترل مرزی، ماهواره انعطاف پذیر، دینامیک خارج از صفحه
  • مهدی بهزاد*، سید علی حسین لی، حسام الدین ارغند، افشین بنازاده صفحات 63-71

    در این مقاله، بیشینه ی دامنه ی سیگنال زمانی شتاب به عنوان مشخصه ی ارتعاشی مناسب که نمایش گر خوبی از روند زوال یاتاقان غلتشی است انتخاب شده و به منظور پیش بینی روند زوال و عمر مفید باقیمانده به کار رفته است. در گام نخست با به کار بردن یک انتقال لگاریتمی، این مشخصه ی ارتعاشی به یک سری زمانی پایدار تبدیل شده است. سپس با کمک شبکه ی عصبی بازگشتی حافظه ی طولانی کوتاه مدت، نحوه ی رشد این مشخصه ی ارتعاشی پیش بینی شده است. این پیش بینی روی داده های دو نمونه از یاتاقان های آزمایش پرونوستیا که در ادبیات فن شناخته شده بوده و مورد استفاده محققین بسیاری قرار گرفته، اعمال شده است. با توجه به نتایج پیش بینی مدل، مدت زمان باقیمانده تا رسیدن این مشخصه ی ارتعاشی به یک آستانه ی معین ارایه شده است. همچنین اگر آستانه ی تعیین شده به معنی پایان عمر مفید یاتاقان باشد، می توان از الگوریتم پیشنهاد شده به منظور تخمین عمر مفید باقیمانده نیز بهره جست. نحوه ی عملکرد الگوریتم در راستای این هدف نیز ارایه و ارزیابی شده است.نتایج حاکی از مطابقت خوب پیش بینی مدل با داده های تجربی است.

    کلیدواژگان: شبکه ی عصبی بازگشتی، شبکه ی عصبی حافظه ی طولانی کوتاه مدت، پیش بینی عمر یاتاقان غلتشی، پیش بینی ادامه ی سری زمانی، تست عمر پرشتاب یاتاقان
  • مجید زارع چاوشی، عباس ابراهیمی* صفحات 73-83

    یکی از مشکلات اصلی توربین باد محور عمودی داریوس که باعث کاهش راندمان آن ها شده پدیده ی واماندگی دینامیکی است که با کنترل آن می توان عملکرد این توربین ها را بهبود داد. در این پژوهش، اثر عملگر پلاسما بر عملکرد توربین باد محور عمودی داریوس به صورت عددی با روش حجم محدود فشار مبنا بررسی شده است. پس از شناخت دقیق جریان حول پره توربین در حالت بدون کنترل، سه چیدمان عملگر پلاسما شامل عملگر سطح داخلی، سطح بیرونی و دوطرفه با حالت بدون عملگر مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد گشتاور حول محل اتصال پره به نگهدارنده آن به صورت محلی می تواند تا 25 درصد در ناحیه ی بالادست و تا 50 درصد در ناحیه ی پایین دست پره تاثیرگذار باشد. عملگر پلاسما با کنترل واماندگی و کوچک تر کردن گردابه سطح مکش در طی حرکت رو به پایین پره باعث افزایش ضریب نیروی برآ و کاهش پسا شده و مقدار گشتاور مثبت حول محل اتصال را افزایش می دهد. در نهایت، عملگر سطح داخلی و دوطرفه باعث بهبود توان خروجی توربین تا 10 درصد شده است.

    کلیدواژگان: توربین باد محورعمودی، واماندگی دینامیکی، کنترل جریان فعال، عملگر پلاسما
  • سعید شعاعی، مصطفی باکویی، محمدمتین بهزادی، مجتبی تقی پور* صفحات 85-97

    پرس ایزواستاتیک گرم یا هیپ یکی از فرایندهای مورد استفاده در متالورژی پودر است. به دلیل هزینه ی بسیار بالای ساخت نمونه آزمایشگاهی این نوع از کوره، استفاده از شبیه سازی عددی به منظور مطالعه ی رفتار آن بسیار حایز اهمیت است. در این پژوهش، عملکرد هندسه ی خاصی از یک کوره ی حرارتی پرس گرم به صورت عددی مطالعه شده است. به منظور افزایش دقت حل مسیله از مدل ترمودینامیکی گاز واقعی استفاده شده و معادلات پیوستگی، مومنتوم، آشفتگی و انرژی به صورت هم زمان حل شده است. در این پژوهش ضمن مطالعه ی رفتار کوره بر اساس شرایط مرزی و اولیه پیش فرض، تاثیر فراسنجه های مختلف بر رفتار کوره ی حرارتی پرس گرم مثل تغییر نوع گاز، دمای دیواره ی آبگرد، وجود یا عدم وجود سپر حرارتی، شرایط مرزی المنت و نیز فشار اولیه بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که فشار اولیه ی گاز داخل کوره و نیز دمای مرز آبگرد تاثیر قابل توجهی بر میزان فشار نهایی گاز کوره دارند. همچنین مطالعه ی تغییرات گذرای دمای ناحیه گرم در دو حالت خاموش شدن المنت می تواند مبنایی برای طراحی و ساخت یک سیستم کنترل دمای مناسب برای کوره باشد.

    کلیدواژگان: کوره ی حرارتی پرس گرم، شبیه سازی عددی، انتقال حرارت، مدل سازی فیزیک های چندگانه
  • امیرحمزه فرج الهی*، رضا فیروزی صفحات 99-112

    در این نوشتار، به بررسی تاثیر افزایش شدت توربولانسی و تغییر زاویه ی پاشش سوخت بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل دریایی کاترپیلار به کمک روش دینامیک سیالات محاسباتی در نرم افزار فایر پرداخته شده است. به منظور افزایش شدت توربولانسی از شیار درون نازل انژکتور استفاده شده و زاویه ی پاشش سوخت افزایش داده شده است. نتایج عددی شبیه سازی انژکتور و موتور دیزل در شرایط کارکردی با داده های تجربی مقایسه و تطابق خوبی بین آن ها مشاهده شده است. نتایج مربوط به عملکرد موتور دیزل نشان می دهد که ایجاد شیار، افزایش شدت توربولانسی و زاویه ی پاشش سوخت منجر به افزایش 75 درصدی توان و گشتاور تولیدی و کاهش 37 درصدی مصرف سوخت نسبت به نازل استوانه یی سوخت می شود. همچنین نتایج مربوط به آلایندگی این موتور دیزل دریایی نشان می دهد که در این حالت آلاینده ی مونوکسید کربن و اکسید نیتروژن به مقدار 42٫73 درصد و 45٫45 درصد کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: موتور دیزل دریایی، جریان چرخشی، شدت توربولانسی، زاویه ی پاشش سوخت، آلایندگی
  • علیرضا مرادی، فتح الله امی*، محسن بهرامی، زهیر صبوحی صفحات 113-125

    این مقاله یک روش مدل سازی موتور گرماصوتی موج ایستا برای بررسی شرایط سیستم در حالت گذرا را ارایه می کند. تمرکز این روش بر دقیق سازی پیش بینی ها و ایجاد شناخت بهتر درباره ی شرایط عملکردی این دستگاه هاست. ایده یی که پایه ی اصلی این کار را تشکیل می دهد تلفیق روش حل عددی حالت گذرا و همترایی مدار الکتریکی موتور گرماصوتی موج ایستاست. با فرض هر جزء موتور گرماصوتی به عنوان یک المان فشرده ی همترایی مدار الکتریکی یک موتور گرماصوتی موج ایستا صورت می پذیرد. نتیجه ی حاصل از ترکیب روش حل عددی وابسته به زمان و همترایی مدار الکتریکی، یک کد برنامه نویسی است که امکان تعیین شرایط شروع، پایداری و میرایی نوسانات خودبه خودی در یک موتور گرماصوتی موج ایستا را فراهم می کند. با استفاده از این روش، لحظه ی شروع نوسانات خودبه خودی در سیستم 13٫1 ثانیه محاسبه شد.

    کلیدواژگان: موتور گرماصوتی، موج ایستا، فرایند شروع، فرایند میرایی، همترایی مدار الکتریکی، حل عددی
|
  • M. Nasiri *, M. Montazeri, M. Rezazadeh Pages 3-12
    Hardware-In-the-Loop (HIL) is a kind of simulation in which an actual component of a closed-loop control system is tested within computer-based real-time simulation of the rest of the system. In a conventional HIL simulation, the hardware is an Electronic Control Unit (ECU) in which electronic control signals are communicated between the hardware and the software. But, HIL simulation of a mechanical component, within a closed-loop control system, requires additional sensors and actuators named transfer systems. The transfer systems are used to connect the software and hardware parts. The HIL simulation can achieve unstable behavior or inaccurate results due to unwanted time-delay dynamic of the transfer systems. In this paper, a test bench is implemented for the hardware-in-the-loop simulation of the fuel control unit (FCU) of a gas turbine engine. The FCU is an electro-hydraulic actuator of the fuel control system. In a real engine, the FCU contains a miniature gear-type liquid-fuel pump which is driven at a fraction of the engine rotor speed mechanically by gears. In the HIL simulation, the engine is simulated numerically and an electric motor is employed to drive the pump of the FCU. The real-time simulation of the gas turbine engine thermodynamic model is implemented on an industrial personal computer with an input/output board in connection with the electro-hydraulic system. There is time-delay in the forward path of the fuel control system due to the use of flowmeter for measuring the outlet flow rate of the FCU in HIL simulation. According to extensive experimental works, the AC motor’s lag dynamics has no considerable effect on the HIL testing, and the flowmeter is the only additional transfer system of which the dynamic effect needs to be mitigated. The results show instability of the hardware-in-the-loop simulation due to unwanted time-delay of the flowmeter. Therefore, a model-based predictor is designed for time-delay compensation of the flowmeter. The consistency of the experimental real-time simulation and off-line simulation shows the applicability of the presented method for mitigating the effect of unwanted dynamic of the transfer system in the HIL simulation.
    Keywords: Hardware-in-the-loop (HIL), Fuel control unit (FCU), Gas turbine engine, Model-based predictor
  • F. Nematzadeh *, S.Kh. Sadrnezhaad, M. Seyedsalehi Pages 13-21

    Stent placement has been a unique treatment for peripheral arteries illnesses in the recent years. Intelligent alloy stents can be used for peripheral arteries by reducing problems such as insufficient radial strength, low torsional capability and poor dynamic behavior compared to other stents. The application of the stent develops twofold chief objectivesundersized duration influence which avoids the effects of intimal division and the flexible shrinking and extended duration consequence which avoids restenosis due to the neointimal hyperplasia. Additionally, the other advantages of stent applications can be shortened as monitors: operative contour-capability to attain a satisfactory obsession to the vessel’s wall; adequate resistance contrary to the flexible shrinking; fatigue asset due to the pulsatile current and physique’s kinematics; a much smaller device to facilitate the percutaneous technique; small thrombogenicity; and height biocompatibility. In this study, metallurgical and mechanical behaviors of two types of intelligent alloys stent were studied by finite element method during the crushing process (axial loading) according to the standard. The intelligent stent material’ model used to describe the material and mechanical behavior were based on the free thermodynamic energy of Helmholtz and the free thermodynamic energy of Gibbs. with varying the Af temperature from 293 to 303 ° K (about 10 ° K), the difference between the upper and lower plateau stresses was about 40 MPa (equivalent to about 12%).The results showed favorable mechanical and clinical behavior of the stent with high Af temperature. Intelligent stents with high Af temperature is shown to have the best mechanical performance for clinical applications owing to lower Chronic Outward Force (COF), higher Radial Resistive Force (RRF), and more suitable superelastic behavior. Model calculations showed that a high Af temperature of Intelligent stent could exert a substantial effect on practical performance of the stent. This finite element model can provide a convenient way for evaluation of biomechanical properties of stents given to effects of intelligent alloys stents used in peripheral artery with respect to the effects of metallurgical, mechanical and clinical performance.

    Keywords: Intelligent alloys, Stent, Peripheral artery, Finite Element Method
  • N. Firouzi, F. Dadgar-Rad*, S.R. Falahatgar Pages 23-34

    The aim of this paper is the formulation and numerical simulation of the growth phenomenon in skin under mechanical loading. The main feature and the novelty of the present research is that it models the skin as a membrane that obeys the constitutive equations of hyperelastic materials. Moreover, the membrane is not necassrily flat, and ca have arbitrary initial curvature in its reference configuration. At first, kinematics of membranes under large deformations is formulated and the essential tensors to be used in the next sections are introduced. Afterwards, fundamentals of the formulation of growth mechanics and its specialization for membranes are presented. In this work, growth phenomenon is characterized as an transeversely isotropic growth which accurs through a single scalar-valued growth multiplier which is defined in the surface where the growth phenomenon takes place. Growth parameter is considerd to be an internal varable that obeys a n evolution equation, which is a first-order differential equation of time. In addition, to solve the evolution equation for growth mltiplier, an unconditionally stable Euler backward method is employed. The compressible neo-Hookean strain energy density function is used to derive the expressions for the stress and the fourth-order elasticity tensors. For numerical solution of governing equations, a Total Lagrangian nonlinear finite element formulation is developed. Finally, as numerical examples, growth and large deformation of skin considering initially flat with three square, circular and rectangular geometries, as well as an initially curved cylindrical sector under external pressure loading is investigated. Even though the presented model in this paper is much simpler than the preceding ones, the obtained results are in agreement with those available in the literature. Moreover, numerical calculations and storage space are remarkably reduced by the present formulation, so that the number of membrane elements used in the present work is one percent of that of three-dimensional elements employed in the literature.

    Keywords: Growth mechanics, skin, membrane, hyperelasticity, nonliner finite element method
  • M.J. Fardadi Shilsar, M. Mazaheri *, J. Mohammad Vali Samani Pages 35-49

    In this study, by Laplace transform method, the analytical solution of the pollution transport equation in the limited domain for the river network to the upstream and downstream Dirichlet boundary conditions, and the initial condition of zero was extracted, and simulation was performed for two branch and loop networks with fixed and variable boundary conditions. After naming the nodes, by forming matrices of how to connect, flow characteristics and geometry of the river for each network as input to the problem, the diffusion matrix is created based on a function of the Laplace variable, which The value of the concentration in each node is calculated by solving the complex device created and using the inverse Laplace transform. Then, using the analytical solution extracted in a branch of the river for the pollution transfer equation, the analytical solution can calculate the value of pollution concentration at any desired location and time along with the river network. Finally, for validation, the analytical solution was compared with the numerical solution, and then the statistical error indices were calculated. The results indicate the optimal performance and high ability of analytical solution in modeling the two networks and its good adaptation to the numerical solution, which can replace numerical solution due to high accuracy and speed of calculations. Generally, due to common errors in numerical solutions such as numerical dispersion error, Round-off error, Truncation error of Taylor expansion mathematical sentences, analytical solutions, if any, for the river network are recommended over numerical solutions. Also, in the performed simulations, due to the change of the inlet flow and the flow cross-section to each, changes in the pollution concentration occur in the areas where the branches connect to each other, increasing or decreasing. The proposed analytical solution for river networks can model more complex river networks and can be considered a criterion for the validation of numerical solutions. Also, the existing analytical solution can be used as a tool to validate other analytical solutions in the river network.

    Keywords: Analytical solution, Laplace transform method, Advection-dispersion-reaction equation, River network, Concentration distribution function
  • M. Behzad *, S.A. Hosseinli, H.A. Arghand, A. Banazadeh Pages 63-71

    This paper proposes a remaining useful life (RUL) prediction method that uses the peak of the vibration acceleration signal as an appropriate feature to indicate the degradation process in the rolling element bearings (REBs). In the first step, this feature is transformed into a stationary time series using logarithmic transformation. That is because the long short-term memory neural network (LSTM-NN) works better with the stationary time series. Training the LSTM-NN is performed by this stationary time series as the input and the response is the training time series with values shifted by one time step. Therefore, the LSTM-NN learns to predict the value of the next time step at each point. In other words, to forecast the values of multiple time steps in the future, previous forecasted steps are used as inputs. Next, the values of the future time steps are returned to the main non-stationary form to predict the trend of the peak in the future. Importantly, new measured data can be used to perform new predictions. For this purpose, for every new measured data, the LSTM-NN repeats the mentioned steps and generates a new trend. This algorithm is a trend-dependent method. Therefore, an REB that has a slow degradation stage in its life, which is corresponding to the growth and expansion of defects in REBs, is appropriate to be studied by this algorithm. This method is implemented on two REBs from PRONOSTIA accelerated-life test which have been used by many researchers in the literature. According to the prediction results, the remaining time that peak amplitude trend touches a given threshold is provided. If this threshold is a criterion for the end of life (EoL), this method can be used to determine the RUL. The performance of the proposed method has been evaluated and the presented results are in a good agreement with the experimental data.

    Keywords: Recurrent Neural Network (RNN), Long Short-Term Memory (LSTM), Remaining Useful Life (RUL), Time series forecasting, Bearing accelerated-life test
  • M. Zare Chavoshi, A. Ebrahimi* Pages 73-83

    Darrieus type vertical axis wind turbine is an appropriate choice for local electricity generation in urban environments. The major aerodynamical challenge in these turbines is dynamic stall which drastically affects the aerodynamic performance of the turbine. In this study, the effect of plasma actuator on aerodynamic performance of a Darrieus type vertical axis wind turbine was numerically investigated. Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations were employed, accompanied with k-ω SST turbulence model. Suzen-Hoang model was used to model plasma actuator that calculates body force source term representing plasma actuator effects. The pressure-based finite volume method was utilized to solve the governing equations. First, the physics of dynamic stall in turbine blade was explored. Results show that the contribution of connection point moment in instantaneous moment of a blade is more than 25 percent. Moreover, counter clock-wise vortex in the suction side of blade was found to have a significant role in the blade's performance. To study plasma actuator effects, three test cases of inboard, outboard, and two side actuation, were considered and compared with the clean blade (no plasma actuator). The inboard plasma actuator weakened the dynamic stall vortex, increased lift, and decrease drag force in the down-stroke motion of the blade. Nevertheless, plasma has no effect during the up-stroke motion since the flow is attached to the blade's surface. The inboard actuation is effective for blade azimuth angles in the range of 70 to 180 degrees, and the outboard actuation is effective in blade azimuth angles between 180 to 290 degrees. In conclusion, plasma actuator leads to a 10 percent enhancement in power production for inboard actuation and two-sided actuation, but no significant effects were observed for outboard actuation.

    Keywords: Vertical Axis Wind Turbine, Dynamic stall, Active Flow Control, Plasma Actuator
  • S. Shoaee, M. Bakouei, Mohammad Matin Behzadi, M. Taghipoor * Pages 85-97

    Hot isostatic pressing (HIP) is a manufacturing process used in powder metallurgy science. It can be used to consolidate a powder, enhance the properties of a single crystal, solidify a cast blade in a specified direction and generally, densify a cold pressed, sintered or a cast part. The numerical simulation of the thermofluidic responses of working gases can provide important and detailed information about the dynamics of fluid flow and heat transfer in a HIP furnace. This information cannot be obtained from experimental observations. The experimental investigation of such a high temperature and pressure process is quite expensive. Moreover, the high working pressure and temperature limits the application of probes and sensors that may enable detailed data collection. This paper presents the modeling procedure and the results of a numerical investigation of a HIP furnace. The effects of the heater temperature, the performance of the cooling water system, and the presence of a radiation shield in front of the element were studied for two working gases. Moreover, investigation of the element heat flux and the temperature variation of the furnace could be used to choose a proper element and design an accurate control system. In order to increase the accuracy of the results, a real gas thermodynamic model has been also employed. In terms of physical modeling, the momentum and continuity equations and a two-equation turbulence model were coupled with the energy equation and radiation correlations. The results indicate that the final furnace pressure is directly influenced by the performance of the cooling system and the initial furnace pressure. A linear relation between the final and initial furnace pressure is observed. In addition, the final pressure is dependent on the type of the working gas whereas the temperature distribution is not significantly varied by gas selection. Based on the results, existence of the radiation shield causes non-uniformity in the flow field and temperature distribution of the hot zone area. The thermal conductivity of the furnace wall has a significant effect on the furnace heat loss. As the thermal conductivity increases tenfold, heat loss increases by 700 percent.

    Keywords: Hot isostatic pressing furnace, numerical simulation, Heat Transfer
  • A.H. Farajollahi *, R. Firuzi Pages 99-112

    In this article, the effect of increasing turbulence intensity and changing fuel injection angle on performance and pollution of Caterpillar marine diesel engine has been investigated using computational fluid dynamics method in Fire software. To this end, two phase flow inside the diesel injector was simulated using the CFD.Solidworks software has been used for geometry creation and AVL-Fire software has been used for meshing and simulating. In order to increase the turbulence intensity, the groove inside the injector nozzle has been used and the fuel injection angle has been increased. Numerical results of injector and diesel engine simulation in operating conditions were compared with experimental data and a good agreement was observed between them. The results of diesel engine performance show that grooving, increasing turbulence intensity and fuel injection angle lead to a 75% increase in power and torque output and a 37% reduction in fuel consumption compared to the cylindrical fuel nozzle. Also, the results related to the pollution of this marine diesel engine show that in this case, the pollutants of carbon monoxide and nitrogen oxide decreasing 42.73% and 45.45%, respectively. Also, in this case, the engine has no problem in terms of producing soot pollutants and the soot produced during the combustion process is well oxidized. Then, in order to create a rotational flow and reduce the intensity of cavitation as well as the resulting erosion, the geometry of the cylindrical nozzle hole was changed to a converging cone and the groove inside it was used. The numerical results show that changing the geometry of the nozzle hole and creating a rotational flow inside it leads to reducing the severity of cavitation and thus reducing the erosion and corrosion caused by it and increasing the life of the injector nozzle. Thus the fuel spray characteristics can be controlled by creation of swirly flow and changing the nozzle geometry and needle lift profile. Numerical results and experimental data validated from previous researches.

    Keywords: Marine Diesel Engines, Swirly Flow, Turbulence Intensity, Fuel Injection Angle, Emission
  • A.R. Moradi, F. Ommi *, M. Bahrami, Zoheir Saboohi Pages 113-125

    This paper presents a numerical method to evaluate the system conditions in transient mode for a standing wave thermo-acoustic engine (STAE). This method focuses on increasing the accuracy of predictions and creating a better eyesight of the operating conditions of these devices. Combining the numerical solution of transient mode with the electrical circuit analogy of standing wave TAE, is the main idea of this work. Electrical circuit analogy of STAE is done by assuming each component of a STAE as a lumped element. The result of Combining the time-dependent numerical solution and the electrical circuit analogy is a code, which determines the condition of startup, steady periodic, and damping regime of the spontaneous oscillations in the STAE. Accordingly, a nonlinear temperature distribution is obtained along the hot core. The developed numerical approach is in line with the experimental results of a STAE. Based on this method, the temperature variations along the stack and the impact of stack material on startup time and onset temperature are numerically investigated. Additionally, the onset temperature profiles are calculated and presented comparatively for the numerical and experimental results. The startup time of spontaneous oscillations is calculated for the standing wave system. Consequently, the best geometry that quickly reaches the sustained oscillations can be selected using this model. Examining the temperature profile during the startup and damping process highlights a temperature difference between these two processes. Observations show that using a material with lower thermal conductivity in the stack section can reduce the onset-damping temperature difference. Also, with the help of this method the startup moment of spontaneous oscillations was calculated as second in the system. The data obtained from the experimental tests and the temperature profiles resulting from the numerical solution method, showed a good agreement with each other for the onset and damping process in the system. The novel approach described here shows potential in capturing the onset-damping behavior of thermoacoustic systems efficiently.

    Keywords: Thermo-acoustic engine, standing wave onset process, damping process, electrical circuit analogy, numerical solution