فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و چهارم شماره 2 (پیاپی 67، تابستان 1401)
- تاریخ انتشار: 1401/06/31
- تعداد عناوین: 8
-
-
صفحات 6-20هم اکنون یکی از مهم ترین زمینه های فعالیت علمی در کشور طراحی ساخت و ارسال ماهواره به فضا می باشد که از نیازهای کلیدی کشور است. ماهواره ها در زمینه های مخابراتی، تحقیقاتی، آب و هوا، تصویر برداری و نقشه برداری و کاربردهای نظامی دارای اهمیت بسیاری می باشند. با توجه به اینکه کنترلرهای طراحی شده از روی مدل ماهواره با در نظر گرفتن برخی فرضیات و ساده سازی سیستم انجام می شود، می تواند هزینه های زیاد پیاده سازی کنترلرهای طراحی شده بر روی سیستم واقعی بدون ارزیابی کنترلر طراحی شده را تحمیل کند. باوجود مغایرت در سیستم شبیه سازی شده با مدل واقعی سیستم، طراحی و ساخت شبیه ساز زیرسیستم کنترل وضعیت ماهواره جهت نیل به این اهداف کمک شایانی خواهد کرد. این زیرسیستم نقش تعیین کننده ای در انجام موفقیت آمیز ماموریت ماهواره به عهده دارد. به صورتی که بروز هرگونه عیب و نقص در این زیرسیستم می تواند باعث شکست ماموریت ماهواره شود. بنابراین آزمودن و کسب اطمینان از صحت عملکرد این زیرسیستم پیش از پرتاب ماهواره و درروی زمین از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مقاله ابتدا طراحی و ساخت شبیه ساز سخت افزار در حلقه وضعیت ماهواره ، بر اساس مدل میزی، مدنظر می باشد که در ساخت این شبیه ساز از یاتاقان هوایی جهت شبیه سازی محیط خلا در فضا بهره گیری شده است. در ادامه جهت کنترل وضعیت مدل ماهواره، کنترلر PID طراحی شده، بر روی سخت افزار شبیه ساز کنترل وضعیت ماهواره پیاده سازی شد، که نتایج شبیه سازی توانایی کنترلر طراحی شده را نشان می دهد.کلیدواژگان: کنترل وضعیت ماهواره، سخت افزار در حلقه، شبیه ساز ماهواره، یاتاقان هوایی
-
صفحات 21-45در مطالعه حاضر به بررسی تاثیر قرار دادن مغشوش کننده های مختلف در داخل مبدل حرارتی لوله ای بر پارامترهای مهم حرارتی و بازده کلی پرداخته شده است. در این رابطه از روش هایی همچون نرم افزار طراحی آزمایشات و از مجموعه رویه سطح پاسخ (RSM) روش مرکب مرکزی (CCD) برای طراحی آزمایشات استفاده شد. همچنین به جهت تقویت تحلیل بیشتر از روش های عددی و مدل سازی شبکه عصبی نیز بهره گرفته شده است، در ادامه روش های شبیه سازی مذکور مقایسه گردیدند. نتایج این پژوهش در تمام موارد استفاده از مغشوش کننده های جدید افزایش ضریب انتقال حرارت و به تبع آن بهبود عدد ناسلت را نشان می دهد. به طوری که بر خلاف مغشوش کننده های گذشته این مغشوش کننده، علاوه بر چرخش جریان، خود آن هم دارای قابلیت چرخش است. در پایان میانگین درصد خطای مطلق در روش مدل سازی نرم افزار طراحی آزمایش ها و شبکه عصبی به ترتیب برابر 77/10و 94/0 درصد می باشد، که این بیانگر دقت بالای روش شبکه عصبی به جهت تعیین پارامتر ضریب اصطکاک است.کلیدواژگان: مغشوش کننده، CFD، شبکه عصبی، طراحی آزمایشات، مبدل حرارتی
-
صفحات 46-76
هدف از این مقاله، بررسی میزان انتقال حرارت و آنتروپی تولید شده به واسطه جابجایی ترکیبی نانوسیال ترکیبی با لحاظ کردن تاثیر حرکت براونی ذرات درون حفره نیم بیضی شکل متمایل با درپوش متحرک است. میدان مغناطیسی به دو صورت یکنواخت و غیر یکنواخت از چپ به راست بر حفره اعمال می شود. شبیه سازی به وسیله روش شبکه بولتزمن با زمان آسایش چندگانه و با نوشتن کد رایانه ای به زبان فرترن صورت گرفته است. نتایج به صورت جداول، نمودارها، خطوط جریان، خطوط هم دما و خطوط آنتروپی ثابت ارایه شده است. تاثیر کسر حجمی نانوذرات) 06 / 0 - 0 (، عدد ریچاردسون) 1 / 0 ، 1 و 10 (، عدد هارتمن) 60 - 0 (نوع اعمال میدان مغناطیسی) یکنواخت و غیر یکنواخت (و زاویه چرخش حفره) 90 ،- 0 و 90 + درجه بر جریان شکل گرفته درون حفره بررسی شده است. نتایج نشان می دهد افزایش کسر حجمی نانوذرات سبب افزایش قدرت جریان، عدد ناسلت متوسط، آنتروپی حجمی کل و عدد بیجان می شود و بیشترین اثر برای عدد ریچاردسون 10 و زاویه تمایل 90 + درجه مشاهده می شود. در تمامی حالات، افزایش عدد هارتمن از قدرت جریان و میزان انتقال حرارت می کاهد و این اثر با افزایش عدد ریچاردسون، کاهش می یابد. با اعمال میدان مغناطیسی به صورت غیر یکنواخت می توان قدرت جریان را تا بیش از 80 درصد و میزان انتقال حرارت را تا 35 درصد افزایش داد. افزایش عدد هارتمن، تاثیر نوع اعمال میدان مغناطیسی را مشهودتر می سازد و انتقال حرارت، بیشترین سهم را در مقدار آنتروپی کل دارد. این مطالعه می تواند در طراحی بهینه تجهیزات صنعتی از جمله خنک سازی تجهیزات الکترونیکی، مفید واقع شود.
کلیدواژگان: جابجایی ترکیبی، میدان مغناطیسی غیر یکنواخت، تولید آنتروپی، روش شبکه بولتزمن با زمان آسایش چندگانه، نانوسیال ترکیبی، حفره متمایل -
صفحات 77-91به علت مقدار زیاد شار حرارتی در پدیده جوشش، از این پدیده در فرایندهای با شدت انتقال حرارت بزرگ استفاده می شود. ایجاد شیار روی سطح می تواند پدیده تشکیل حباب را بهبود داده و باعث افزایش انتقال حرارت جوشش شود. در این مقاله از روش اویلری-اویلری، پدیده جوشش استخری روی یک سطح افقی شبیه سازی عددی شده است. چهار سطح صاف، سطح با شیار مستطیلی، سطح با شیار مثلثی و سطح با شیار دایره ای بررسی شده است. نتایج شبیه سازی عددی با داده های آزمایشگاهی موجود مقایسه شده اند. نتایج نشان داده است که سطح با شیار مستطیلی و دایره ای به ترتیب حدود 50 و 90 درصد شار حرارتی بیشتری نسبت به سطح صاف دارد. همچنین نتایج نشان داده است که سطح با شیار مثلثی حدود 37 درصد شار حرارتی کمتری نسبت به سطح صاف داشته است.کلیدواژگان: جوشش استخری، سطح شیاردار، انتقال حرارت، روش اویلری-اویلری
-
صفحات 92-106
در این مقاله به مدل سازی دینامیک غیرخطی ربات های کشنده-پیرو و کنترل مسیر حرکت آن پرداخته می شود. بدین منظور، ابتدا با فرض عدم لغزش چرخ های ربات، قیود غیرهولونومیک حاکم بر آن بدست می آید. سپس به منظور مدل سازی دقیق تر، اینرسی و دینامیک چرخ های ربات لحاظ و با استفاده از اصل ضرایب لاگرانژ، شکل نهایی معادلات دینامیک غیر خطی بدست می آید. همچنین از روش کنترلی خطی سازی ورودی-خروجی، برای کنترل حرکت ربات کشنده-پیرو استفاده می شود. شبیه-سازی ها نشان می دهد که در حرکت ربات متحرک، قیود غیرهولونومیک چرخ ها اثر به سزایی دارند. همچنین نتایج بدست آمده نشان دهنده کارایی روش پیشنهادی مدل سازی برای انجام تحقیقات آینده است.
کلیدواژگان: ربات متحرک کشنده-پیرو، دینامیک غیر خطی، کنترل حرکت، خطی سازی ورودی- خروجی -
صفحات 107-133
لوله گردباده ای وسیله ای مکانیکی برای جداسازی یک جریان هوای فشرده به دو جریانهوای سردتر و گرم تر از جریان ورودی، به طور همزمان است. طراحی ساده، حجم کم و بینیازی از تعمیر، باعث شده تا این دستگاه دو منظوره در صنعت مورد توجه قرار گیرد.در این مقاله با استفاده از شبیه سازی و حل دینامیک سیالات محاسباتی، تاثیر فشار هوایورودی بر روی عملکرد دستگاه لوله گردباده ای بررسی شده است. جهت حل معادلات میدانجریان از مدل تلاطمی k-ε استفاده شده و هندسه مدل ثابت در نظر گرفته شده است. نتایجنشان می دهد که هر لوله گردباده ای یک فشار کاری بهینه دارد که از لحاظ میزان کاهشدما و هزینه اقتصادی توجیه پذیر می باشد. مقدار این فشار کاری در نتایج این مقاله 8 / 4 باربدست آمد. همچنین نتایج شبیه سازی نشان می دهد که برای مقاصد سرمایشی استفاده ازنسبت جرمی 3 / 0 باعث ایجاد جدایش بالاتری در خروجی سرد خواهد شد و برای مقاصدگرمایشی توصیه می گردد از نسبت جرمی سرد حدود 8 / 0 استفاده گردد.
کلیدواژگان: لوله گردباده ای، نازل ورودی، شبیه سازی عددی، جدایش انرژی، دینامیک سیالات محاسباتی -
صفحات 134-159این تحقیق روی ارزیابی تیر های ساندویچی تحت خمش سه نقطه ای تمرکز دارد. سه تیر ساندویچی متشکل از هسته های هانی کامب، بتا و آلفا با ضخامت رویه یکسان چاپ سه بعدی شده اند. تیوری مرتبه بالا توسعه یافته تیر ساندویچی در راستای تحلیل استاتیکی خمش سه نقطه ای تیر ها مذکور برای اولین بار توسط این پژوهش بکار گرفته شده است. به منظور مقایسه نتایج تیوری، شبیه سازی عددی در نرم افزار آباکوس و آزمایشات تجربی انجام شد. نتایج تیوری با خطای کمتر از 5 درصد از آزمایشات تجربی پیروی می کند. دستاورد های بدست آمده از این مطالعه دقیق بینشی جدید را در راستای پیش بینی رفتار الاستیک تیر های ساندویچی چاپ سه بعدی شده ارایه می دهد.کلیدواژگان: تئوری مرتبه بالا توسعه یافته تیر ساندویچی، آزمایش تجربی خمش سه نقطه، اجزاء محدود، آباکوس، چاپگر سه بعدی
-
صفحات 160-190در این تحقیق استفاده از فوم فلزی جهت بهبود عملکرد یک مبدل حرارتی سه لوله ای مرکب از کندانسور و اواپراتور مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور با بکارگیری بستر نیمه متخلخل، ضمن افزایش انتقال حرارت، امکان کنترل افت فشار نیز برای طراح فراهم شده است. برای ارزیابی عملکرد این مبدل ابتدا به کمک روش حل تحلیلی روابط هیدرولیکی و حرارتی حاکم بر مسیله بدست آمده و سپس جهت اعتبارسنجی، مدل سازی عددی در نرم افزار انسیس-فلوینت انجام گرفته است. نتایج نشان داد که عملکرد مبدل حرارتی سه لوله ای در حالت نیمه متخلخل دارای رشد چشمگیر سه برابری نسبت به حالت غیر متخلخل می باشد. همچنین مقدار تخلخل 97/0 بعنوان نقطه بهینه عملکردی و شعاع تخلخل بی بعد 78/1 بعنوان شعاع بحرانی هیدرولیکی ارایه گردید.کلیدواژگان: مبدل حرارتی سه لوله ای، محیط نیمه متخلخل، فوم فلزی، حل تحلیلی، معیار عملکرد
-
Pages 6-20Currently, one of the most important fields of scientific activity is building and sending satellites into space, which is one of the key needs of all countries. Satellites have great importance in the fields of telecommunications, research, weather, imaging and mapping, and military applications. Controllers are designed by considering some assumptions and simplifying the system that it can impose high costs of implementing the designed controllers on the real system without evaluating the designed controller on the simulator. Despite the discrepancy between the simulated system and the actual system model, testbed control simulator will help to achieve these goals. Determining this subsystem is responsible for the successful completion of the satellite mission. Any defect in this subsystem can cause the failure of the satellite mission. Therefore, testing and ensuring the correct operation of this subsystem before launching the satellite is so important. In this project, first, the hardware simulator is designed and built based on the 3 degree of freedom model. In the construction of this simulator, air bearings have been used to simulate the vacuum environment in space. To control the testbed model, the PID controller is implemented and the results are shown controller.Keywords: Satellite control, satellite simulator, satellite, Control
-
Pages 21-45The present study investigates the effect of different insert inside the tubular heat exchanger on important thermal parameters and overall efficiency. In this regard, methods such as Design of Experiments (DOE) software and response surface methodology (RSM) Central composite design (CCD) were used to design experiments. Numerical methods and neural network modeling were also used to further strengthen the analysis and then the mentioned simulation methods were compared. In all cases, the results of this study indicate an increase in heat transfer coefficient and, consequently, an improvement in the Nusselt number due to the use of novel inserts. So that unlike the previous inserts of these inserts, in addition to rotating the current, it also has the ability to rotate. Finally, the average percentage of absolute error (MAPE) in the experimental design software modeling method and neural network is 10.77 and 0.94%, respectively, which indicates the high accuracy of the neural network method to determine the friction coefficient parameter.Keywords: insert, CFD, Neural network, Design of experiments, heat exchanger
-
Pages 46-76
The purpose of this paper is to investigate the heat transfer and entropy generated due to mixed convection of hybrid nanofluid inside the lid-driven semi-oval chamber. The magnetic field is applied uniformly and non-uniformly. The simulation is performed by MRT-LBM and by writing computer code in Fortran language. Effect of Richardson number (0.1, 1 and 10), nanoparticles volume fraction (0-0.06), Hartmann number (0-60), inclination angle of the chamber (-90, 0 and +90 degrees) and type of magnetic field applied (uniform and non-uniform) on the flow formed in the chamber is evaluated. The results show that increasing the volume fraction of nanoparticles increases the flow strength, average Nusselt number, total volumetric entropy and Bejan number and most of the effect is observed for Richardson number 10 and inclination angle +90°. In all cases, increasing the Hartmann number decreases maximum values of streamlines and heat transfer, and this effect decreases with increasing Richardson number. By applying a magnetic field non-uniformly, it can change the flow strength by more than 80% and increase the heat transfer to 35%. Increasing the Hartmann number makes the effect of the non-uniform magnetic field more obvious, and the heat transfer has the largest share in the total volumetric entropy.
Keywords: Mixed Convection, MRT-LBM, Non-uniform magnetic field, Entropy generation, Hybrid Nanofluid -
Pages 77-91Boiling is used in processes with high heat transfer rate given the large amount of heat flux involved in the phenomenon. Devising a groove on the surface can improve the bubble formation and increase the heat transfer of the boiling. Accordingly, the pool boiling phenomenon on a horizontal surface is numerically simulated using the Eulerian-Eulerian method in this study. Four surfaces: smooth, with rectangular groove, with triangular groove, and with circular groove are examined to this end. Numerical simulation results are compared with available experimental data. The results indicate that the surfaces with rectangular and circular grooves render approximately 50 and 90% more heat flux than the smooth surface, respectively. However, the surface with a triangular groove rendered approximately 37% less heat flux than the smooth surface.Keywords: Pool boiling, Grooved Surface, Heat Transfer, Eulerian-Eulerian method
-
Pages 92-106
In recent years, development and research on wheeled mobile tractor-trailer robots have been extensively increased. Development of such robot is due to increasing maximum load capacity and reducing fabrication and maintenance costs. In this paper, nonlinear dynamic modeling of the tractor-trailer and its motion control are performed. To do this, governing equations of the mobile tractor-trailer robot are firstly derived taken into account nonholonomic constraints of wheels. Assuming lateral and longitudinal non-slippage of the robot wheels, nonholonomic kinematic constraints of the mobile robot are obtained. For dynamic modeling, the Lagrange principle is implemented and the final form of the nonlinear equations of the tractor-trailer robot is derived. Also, the nonlinear dynamics of the system is presented in state-space form and the input-output linearization control method is employed to control point-to-point motion and trajectory tracking. Various simulations are done and the results demonstrate the correctness of the derived nonlinear dynamics and the applicability of the proposed method to control the wheeled mobile robot. Simulations show the nonholonomic constraints of wheels of the tractor and the trailer has a prominent effect on the point-to-point motion of the mobile robot. Moreover, the obtained results indicate the capability of the proposed modeling procedure for the future researches in this field.
Keywords: input-output linearization, motion control, nonlinear dynamics, Mobile tractor-trailer robots -
Pages 107-133
A vortex tube is a mechanical device for separating a stream of compressed air into two streams of colder and warmer air than the inlet stream at the same time. Simple design, small volume and no need for repair, caused this dual-purpose device to be considered in the industry. In the paper, using simulation and computational fluid dynamics technique, the effect of inlet air pressure on the performance of a vortex tube device has been investigated. To solve the flow field equations, the k-ε turbulence model is used and the model geometry is considered constant. The results show that each vortex pipe has an optimal working pressure that is both economically and economically justifiable. This working pressure was 4.8 bar in the current project. The simulation results show that for cooling purposes, using a mass ratio of 0.3 will cause a higher separation in the cold output and for heating purposes, it is recommended to use a cold mass ratio of about 0.8.
Keywords: Vortex tube, inlet nozzle, numerical simulation, energy separation, Computational fluid dynamics -
Pages 134-159This study focuses on evaluating the performance of sandwich beams under three-point bending test. Three sandwich beams consisting of transverse cores of Honeycomb, Beta, and Alpha with the same face sheets thickness are fabricated by employing a 3D printer. The extended high order sandwich beam theory has been used to carry out the static analysis of three-point bending behavior of the beams for the first time by this work. In order to compare the theoretical results, numerical simulations were implemented in ABAQUS software and experimental tests were performed. The theoretical results with less than 5% error follow the experimental ones. The tremendous achievements of the current investigation provide a novel insight into prognosticating the performance of the 3D printed sandwich beams.Keywords: Extended high order sandwich panel theory, Three point bending test, Finite element, ABAQUS, 3D printer
-
Pages 160-190A triple-tube heat exchanger composed of a condenser and evaporator was proposed in this study. Also, the heat exchanger is partly filled with metal foam for improving performance. So that in addition to heat transfer enhancement, the pressure drop does not exceed the value expected by the designer. A system of six differential equations is formed under the coupled interfacial boundary conditions; accordingly, the dimensionless relations of velocity and temperature for fluid and solid are analytically obtained using continuity, momentum, and energy equations in porous and clear regions. In the solution method, first by normalizing, linear combination, and the variable change method, the differential equations are decoupled, and then by forming the Bessel differential equations, the solutions are obtained in terms of the modified Bessel functions of the first and second kind. In the porous medium, the local thermal non-equilibrium and the Darcy-Brinkman models are used in the energy and momentum equations, respectively. Also, to validate the analytical solutions, numerical simulation using Ansys-Fluent software with UDF coding was employed. The results showed that at high values of pore density, the effect of porosity on pressure drop is relatively small. The porosity 0.97 as the optimum performance point and the dimensionless porosity radius 1.78 as the critical hydraulically point was obtained. One of the most important results of this research is that the performance of the partly porous triple-tube heat exchanger improves significantly nearly three times compared to the non-porous one.Keywords: Three-pipe heat exchanger, partially filled porous-medium, metal foam, analytical solution, Performance