فهرست مطالب

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال چهل و یکم شماره 1 (تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/06/31
  • تعداد عناوین: 9
|
  • پوریا شیخ بهائی، فرشید مسیبی* صفحات 1-35

    پریداینامیک نسخه غیرمحلی مکانیک محیط های پیوسته است که در آن از معادلات انتگرالی به جای معادلات دیفرانسیل استفاده شده است. به دلیل عدم استفاده از مشتقات مکانی متغیرها در روابط این تیوری، استفاده از آن برای تحلیل مسایل دارای ناپیوستگی امکان پذیر است. در اولین پژوهش های منتشر شده، از پریداینامیک برای تحلیل رشد ترک در مواد ترد استفاده شده است. با اثبات قابلیت های این تیوری، ایده ‎ استفاده از آن برای بررسی رفتار مواد شبه ترد و تحلیل رفتار پلاستیک نیز به تدریج مطرح شده است. بدین منظور، فرمول بندی ها و مدل های جدید مبتنی بر پریداینامیک توسعه یافته اند. در کنار این موارد، هزینه محاسباتی زیاد روش های مبتنی بر پریداینامیک همواره به عنوان نقطه ضعف اصلی این تیوری عنوان شده است. با توسعه روش های پریداینامیک و نیز معرفی روش های ترکیبی مبتنی بر پریداینامیک و تیوری های محلی، مشکل هزینه محاسباتی روش های پریداینامیک تا حد زیادی رفع شده است. مقاله حاضر به معرفی پریداینامیک و مدل های مبتنی بر آن می پردازد. بدین منظور، ابتدا تیوری پریداینامیک، فرمول بندی ها و روش های مبتنی بر آن مرور شده است. سپس در مورد نحوه مدل سازی مواد شبه ترد، تعریف رفتار پلاستیک و نیز استفاده از عملگرهای دیفرانسیلی در این تیوری بحث شده است.

    کلیدواژگان: پریداینامیک، مکانیک شکست، مدل غیرمحلی، رشد ترک، آسیب
  • مهران قمشی بزرگ* صفحات 37-59

    در این مقاله، ناپایداری دینامیکی ناشی از تشدید پارامتریک و تشدید خارجی ورق های مدرج تابعی نسبتا ضخیم تحت عبور پی در پی جرم های متحرک بررسی شده است. فرض می شود که مدول یانگ و جرم واحد حجم ورق به طور پیوسته در سرتاسر ضخامت ورق تغییر کرده و از یک تابع توانی از یک کسر حجمی تبعیت می کنند. ورق های مستطیلی درنظرگرفته شده دارای دو تکیه گاه ساده در دو لبه متقابل به هم هستند در حالی که همه ترکیب های ممکن دیگر از شرایط مرزی آزاد، تکیه گاه ساده و گیردار برای دو لبه دیگر می تواند درنظرگرفته شود. معادلات دیفرانسیل پاره ای کوپل شده حاکم بر ورق مبتنی بر تیوری تغییر شکل برشی مرتبه اول با درنظرگرفتن اثرات اینرسی دورانی و تنش های برشی عرضی استخراج شده و همه مولفه های اینرسی جرم متحرک در فرمول بندی دینامیکی لحاظ شده است. با استفاده از روش گالرکین، معادلات دیفرانسیل پاره ای به یک مجموعه از معادلات دیفرانسیل معمولی با ضرایب وابسته به زمان تبدیل شده اند. از روش نیمه تحلیلی آنالیز هموتوپی برای به دست آوردن نواحی پایدار و ناپایدار و منحنی های تشدید خارجی در فضای پارامترهای سیستم استفاده شده است. اثر مقادیر اندیس توان کسر حجمی، نسبت ضخامت به طول ورق و ترکیب های متفاوت شرایط مرزی روی پایداری دینامیکی سیستم بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که کاهش اندیس توان کسر حجمی، افزایش نسبت ضخامت به طول ورق و درجه بالاتر قیود اعمال شده به دو لبه دیگر ورق (به ترتیب آزاد، تکیه گاه ساده و گیردار) سبب انتقال ناحیه ناپایدار و منحنی های تشدید به بالای صفحه پارامترها شده و از نقطه نظر فیزیکی، سیستم پایدارتر می شود. برای تایید نتایج روش آنالیز هموتوپی علاوه بر استفاده از شبیه سازی عددی جابجایی نقطه میانی ورق، از تیوری فلاکه نیز استفاده شده است. همچنین در یک حالت خاص، نتایج این مطالعه با نتایج مطالعه دیگر مقایسه و تایید شده است.

    کلیدواژگان: ورق مدرج تابعی، جرم متحرک، پایداری دینامیکی، روش آنالیز هموتوپی
  • حمزه صالحی پور* صفحات 61-77

    در این مقاله کمانش استاتیکی تیرهای همگن پوشیده شده با لایه تشکیل شده از مواد مدرج تابعی متخلخل، با شرایط مرزی مختلف بر اساس تیوری تیر تیموشنکو بررسی شده است. از اصل کار مجازی برای به دست آوردن روابط حاکم بر مسیله استفاده شده است و سپس دو روش حل تحلیلی دقیق و حل عددی برای به دست آوردن نیروی کمانش و حل روابط مورد استفاده قرار گرقته اند. روابط حاکم به صورت یک سری رابطه دیفرانسیل معمولی جفت شده هستند. در حل تحلیلی ابتدا این روابط با استفاده از یک سری عملیات ریاضی جدا می شوند و سپس حل می شوند. حل به دست آمده دارای یک سری پارامترها و ثابت های مجهول است. با استفاده از روابط شرایط مرزی در دو انتهای تیر یک دستگاه رابطه همگن استخراج می شود که از رویه حل نابدیهی آن، مقدار نیروی کمانش محوری تیر به دست می آید. در حل عددی از روش مربعات دیفرانسیلی تعمیم یافته برای حل روابط استاتیکی استفاده شده است. در پایان، نتایج عددی ارایه شده است و تاثیر پارامترهای مختلف از جمله نسبت ضخامت به طول تیر، ضخامت لایه متخلخل، مقدار پارامتر تخلخل بر روی میزان نیروی کمانش مطالعه شده است. مقایسه نتایج به دست آمده از دو روش حل تحلیلی و عددی، صحت و اعتبار هر دو روش را تایید می کند.

    کلیدواژگان: کمانش استاتیکی، تیر تیموشنکو، مواد مدرج تابعی متخلخل، حل تحلیلی دقیق، روش مربعات دیفرانسیلی تعمیم یافته
  • مهدی کیهانپور، مجید قاسمی* صفحات 79-99

    با توجه به روند رو به اتمام منابع سوخت فسیلی و ضرورت استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، می بایست مطالعات مناسب در راستای بررسی های فنی و عملکردی در خصوص این منابع صورت پذیرد. لذا در این پژوهش پیل سوختی پلیمری لوله ای شکل به عنوان یک منبع انرژی مناسب با هندسه سه بعدی به صورت عددی، شبیه سازی و بررسی شده است. برای بررسی جامع، معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی، تنش- کرنش و برهم کنش سیال- جامد-گرما در حالت پایا، به وسیله یک کد عددی المان محدود تعریف، با یکدیگر کوپل و سپس حل شده اند. با فرض تغییر ولتاژ پیل از 0/95 تا 0/4 ولت، عبور جریان تراکم پذیر سوخت و هوا در داخل کانال ها و محیط های متخلخل الکترود و کاتالیست و همچنین حدود 5 درجه افزایش دمای میانگین پیل، باعث تقریبا 35 نانو متر جابجایی در بخش های مختلف می شود. این جابجایی های ناشی از برهم کنش سیال- جامد- گرما موجب ایجاد تنش های گرمایی و مکانیکی می شوند. تنش بیشینه در حدود 3500 کیلو نیوتن بر مترمربع در الکترولیت با توجه به محدودیت جابجایی آن (میانگین جابجایی 12/8 نانو متر) ایجاد می شود. سپس، رابطه تغییرات ولتاژ با چگالی جریان، تنش، سرعت جریان سوخت، جابجایی و دمای پیل سوختی نشان داده شد. همچنین نتایج نشان داد که فرض بر هم کنش سیال- جامد- گرما توان پیل سوختی را تا حدود 3 درصد کاهش می دهند. در پایان اثر پارامترهای مختلف از جمله شعاع کانال سوخت و هوا و رسانایی الکترونی و یونی بررسی شد. به عنوان مثال، در ولتاژ 0/4 ولت، کاهش 20 درصدی شعاع کانال سوخت و هوا و همچنین افزایش 100 درصدی رسانایی الکترونی و یونی به ترتیب باعث افزایش حدود 2/17، 0/05، 3/69 و 40 درصد چگالی جریان الکتریکی می شود

    کلیدواژگان: پیل سوختی پلیمری لوله ای شکل، هندسه سه بعدی، انرژی، تنش- کرنش، برهم کنش سیال- جامد- گرما
  • نیما مشهدی محمدرضا، حسام عمرانپور* صفحات 101-119

    یکی از مسایل مهم در مهندسی، یافتن نقاط بهینه سراسری توابع مورد استفاده است. یافتن چنین نقطه ای در برخی از توابع به علت هایی نظیر تعداد ابعاد بالا یا عدم توانایی مشتق گیری از تابع، به راحتی امکان پذیر نیست. همچنین در مدل سازی مهندسی روابط بسیاری از توابع در اختیار نیست اما به صورت جعبه سیاه می توان به آنها ورودی داد و از آنها خروجی گرفت. از این رو با دلایل مطرح شده، الگوریتم های فراابتکاری ارایه می شوند. در این مقاله الگوریتمی فراابتکاری برگرفته از رفتار تاوه ها در فیزیک شاره ارایه شده است. الگوریتم از دیدگاه فنی از تاوه هایی ساخته می شود. هر تاوه شامل چند ذره است. ذرات با استفاده از ماتریس دوران ارایه شده حرکت می کنند. این حرکت موجب جستجوی محلی می شود. همچنین هر تاوه با انتخاب یکی از تاوه های دیگر با الگوریتم انتخاب، سعی در فرار از بهینه محلی و رسیدن به بهینه سراسری دارد. الگوریتم با عملگرهای خود به اکتشاف و استخراج در تابع مورد نظر می پردازد. نوآوری دیگر این مقاله، ارایه دو معیار ارزیابی جدید برای الگوریتم های بهینه سازی است. این دو معیار رفتار و همگرایی الگوریتم ها را در طی مسیر رسیدن به نقطه بهینه سراسری و یا افتادن در بهینه محلی، نشان می دهند. الگوریتم پیشنهادی پیاده سازی شده و با الگوریتم های بهینه سازی عددی مرز دانش مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته است. مشاهده شد که روش پیشنهادی می تواند روی اکثر توابع معیار، از بیست و چهار تابع معیار در ابعاد مختلف، به نتایج بهتری نسبت به سایر روش ها دست یابد. (تمام کدها در صفحه http://web.nit.ac.ir/ h.omranpour/ در دسترس است).

    کلیدواژگان: بهینه سازی عددی، الگوریتم های فراابتکاری، فضای جستجو، معیار ارزیابی، الگوریتم بهینه سازی تاوه
  • فاطمه جعفرزاده، سمیه مهرابیان* صفحات 121-133

    در این پژوهش، به بررسی جت پلاسمای سرد فشار اتمسفری هلیوم پرداخته می شود. جت از نوع تخلیه سد دی الکتریک بوده و متشکل از یک تیوپ دی الکتریک با دو الکترود حلقوی فلزی است. برای شبیه سازی از معادلات پیوستگی، تکانه و پایستگی انرژی به همراه معادله پواسون جهت محاسبه پتانسیل و میدان الکتریکی و معادلات حاکم بر گاز کامل استفاده می شود. نتایج نشان می دهد که چگالی الکترونی و یونی، پتانسیل و میدان بارفضا، انرژی درونی، دما و سرعت الکترون ها با زمان روندی افزایشی دارند. نیز افزایش طول پلاسما و حرکت رو به جلوی آن در امتداد محور جت، با زمان قابل مشاهده است. بنابراین انتظار می رود تا با افزایش زمان، مقادیر کمیت های مذکور افزایش یافته و طول شعله جت پلاسما بیشتر شود.

    کلیدواژگان: جت پلاسمای فشار اتمسفری، تخلیه سد دی الکتریک، پلاسما، معادلات سیالی
  • منصور محی الدین قمشه ای*، شاهین نمازی صفحات 135-154

    این مقاله به تحلیل کمانش تیرهای گوه ای با پهنای ثابت و ضخامت متغیر و ساخته شده از مواد مدرج تابعی دو بعدی پرداخته است. فرض بر آنست که تیر از ترکیب فلز با سرامیک ساخته شده باشد، بطوریکه کسر حجمی هر یک از آنها در راستای طول تیر و همچنین در راستای ضخامت آن بر اساس توابع توانی تغییر کند. همچنین فرض می شود که تیر بطور همزمان تحت اثر نیروهای محوری متمرکز و گسترده قرار دارد. معادلات حاکم و شرایط مرزی با استفاده از اصل انرژی پتانسیل کمینه استخراج گردیده و سپس با استفاده از روش تربیع دیفرانسیلی برای تیری با شرایط مرزی یک سر گیردار حل شده اند. پس از تایید همگرایی و صحت تحلیل ارایه شده، تاثیر مشخصات گوناگون بر روی مقدار بار بحرانی تیر در هر دو حالت تیر تحت بار متمرکز و تیر تحت بار گسترده بر واحد طول بررسی شده اند که از آن جمله می توان به مشخصات هندسی تیر، ایندکس های توانی در تغییرات خواص در هر دو راستای طول و ضخامت و همچنین چگونگی تغییرات ضخامت تیر اشاره کرد. تحلیل کمانش تیر در صورت اعمال همزمان بارهای نقطه ای و گسترده نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در تحلیل کمانش تیر تحت بار گسترده سه الگوی توزیع برای بار در نظر گرفته شده اند که شامل توزیع خطی، درجه دو و نمایی است. نتایج این تحقیق نشان می دهند که در بین الگوهای بررسی شده برای توزیع بار گسترده بیشترین مقدار بار بحرانی متعلق به توزیع خطی است و کمترین مقدار بار بحرانی متعلق به توزیع نمایی بار است.

    کلیدواژگان: کمانش، بار گسترده، تیر گوه ای، مواد مدرج تابعی دو بعدی
  • سوده طرفه، رامین کوهی کمالی* صفحات 155-174

    مدل سازی درست پدیده شناوری و انتقال حرارت در بستر سیال های گاز-جامد، صرفا به نوع مدل عددی انتخابی و الگوریتم های درگیر وابسته نیست. در واقع انتخاب مدل مناسب برای هر شرایط عملکردی خاص، اجرای صحیح هر مدل، انتخاب درست پارامتر ها و شروط مرزی مناسب عوامل تعیین کننده صحت نتایج حاصل در بررسی عملکرد بستر سیال ها است. در تحقیق حاضر، به منظور شبیه سازی دقیق فرآیند انتقال حرارت در بستر سیال ها، پارامتر های مهم و تاثیرگذار بر روند حل عددی به روش اویلری دو سیالی با به کارگیری تیوری انرژی جنبشی جریان دانه ای بررسی شد. به این منظور، اثرات ضریب بازگردانی ذره-ذره و ذره-دیواره، ضریب انعکاس و شیوه تعیین دمای دانه ای و ضریب هدایت گرمایی موثر بر روند حل عددی ارزیابی شد. این بررسی ها نخست در فرآیند گرم کردن ذرات با هوای داغ ورودی در یک بستر سیال آدیاباتیک و سپس در بستر سیالی با دیواره های دما ثابت و برای دو رژیم جریان پرکاربرد حبابی و آشفته انجام گرفت. نتایج نشان داد که ضریب انعکاس و هدایت گرمایی موثر پارامتر هایی تاثیرگذار در فرآیند انتقال حرارت از دیواره به بستر هستند. به گونه ای که در این شرایط مقدار صفر ضریب انعکاس سبب می شود که دمای هوا در رژیم حبابی حدود 7 درجه و در رژیم آشفته حدود 5 درجه بالاتر رود و مقدار واحد آن نتایج یکسانی با شرط عدم لغزش به دست می دهد. علاوه بر این در نظر گرفتن ضرایب هدایت گرمایی ماده جامد و گاز سبب می شود که دمای هوای خروجی حدود 26 درجه بیشتر از دمای به دست آمده با در نظر گرفتن ضرایب هدایت گرمایی موثر با رویکرد استاندارد باشد. فرم مشتق جزیی و جبری معادله بقای انرژی نوسانی فاز جامد در بستر سیال های متراکم جواب های یکسان به دست می دهند، هرچند در نظر گرفتن یک دمای دانه ای ثابت می تواند سبب بروز خطاهای محاسباتی شود

    کلیدواژگان: روش اویلری، مدل دو سیالی، تئوری انرژی جنبشی جریان دانه ای، بستر سیال گاز-جامد، انتقال حرارت
  • رضا زردشتی*، سید علی سعادتدار آرانی، سید مجید حسینی صفحات 175-192

    در این مقاله، یک روش بهینه سازی مقاوم برای حل مسیله طراحی مسیر ماهواره بر در حضور عدم قطعیت ها با استفاده از الگوریتم قدرتمند بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) توسعه داده شده است. با توجه به وجود عدم قطعیت هایی چون نامعینی در مقادیر واقعی ضرایب آیرودینامیکی، نیروی تراست موتور و جرم در مرحله صعود یک ماهواره بر، دستیابی به مسیر بهینه ای که نسبت به این عدم قطعیت ها مقاوم باشد حایز اهمیت است، چراکه منجر به بهبود عملکرد پروازی، کاهش بار کاری سیستم هدایت-کنترل و افزایش قابلیت اطمینان ماهواره بر می شود. لذا برای این منظور، ابتدا مسیله بهینه سازی با بکارگیری معیار حداکثرسازی جرم محموله به عنوان تابع هزینه و معادلات حرکت سه بعدی به عنوان قیود حاکم بر مسیله درنظر گرفته شده است. سپس با اضافه کردن پارامترهای میانگین و انحراف استاندارد عدم قطعیت ها، مدل بهینه ساز مقاوم توسعه یافته و از الگوریتم مذکور جهت بهینه سازی عددی مدل مزبور استفاده شده است. همچنین به منظور تحلیل نتایج عدم قطعیت ها و بازخورد مستمر آن به مدل بهینه ساز، از دیدگاه مونت کارلو استفاده شده است. در نهایت مسیر بهینه ای به دست آمده که نسبت به عدم قطعیت های مزبور، مقاوم است. نتایج شبیه سازی حاصله، صحت این ادعا را نشان می دهد

    کلیدواژگان: بهینه سازی مقاوم، طراحی مسیر، عدم قطعیت، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات، ماهواره بر
|
  • P. Sheikhbahaei, F. Mossaiby* Pages 1-35

    Peridynamics is a nonlocal version of the continuum mechanics, in which partial differential equations are replaced by integro-differential ones. Due to not using spatial derivatives of the field variables, it can be applied to problems with discontinuities. In the primary studies, peridynamics has been used to simulate crack propagation in brittle materials. With proving the capabilities of peridynamics, the idea of using this theory to simulate crack propagation in quasi-brittle materials and plastic behavior has been proposed. To this end, formulations and models based on peridynamics have been developed. Meanwhile, the high computational cost of peridynamic methods is the main disadvantage of this theory. With the development of peridynamic methods and introduction of hybrid methods based on peridynamics and local theories, the computational cost of peridynamic methods has been reduced to a large extent. This paper introduces peridynamics and the models based on it. To this end, we first review peridynamics, its formulations, and the methods based on it. Then we discuss the modeling of quasi-brittle materials, simulation of plastic behavior and employing the differential operators in this theory.

    Keywords: Peridynamics, Fracture mechanics, Nonlocal model, Crack growth, Damage
  • M. Ghomeshi Bozorg* Pages 37-59

    In this paper, dynamic instability due to parametric and external resonances of moderately thick functionally graded rectangular plates, under successive moving masses, is examined. Plate mass per unit volume and Young’s modulus are assumed to vary continuously through the thickness of the plate and obey a power-law distribution of the volume fraction of the constituent. The considered rectangular plates have two opposite simply supported edges while all possible combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions are applied to the other two edges. The governing coupled partial differential equations of the plate are derived based on the first-order shear deformation theory with consideration of the rotational inertial effects and the transverse shear stresses. All inertial components of the moving masses are considered in the dynamic formulation. Using the Galerkin procedure, the partial differential equations are transformed into a set of ordinary differential equations with time-dependent coefficients. The Homotopy Analysis Method (HAM) is implemented as a semi-analytical method to obtain stable and unstable zones and external resonance curves in a parameters space. The effects of the index of volume fraction, thickness to length ratio, and different combinations of the boundary conditions on the dynamic stability of the system are also investigated. The results indicate that decreasing the index of volume fraction, increasing thickness to length ratio, and higher degree of edge constraints (respectively from free to simply-supported to clamped) applied to the other two edges of the plate shift up the instability region and resonance curves in the parameters plane and, from a physical point of view, the system becomes more stable. In addition to using numerical simulations of the plate midpoint displacement, Floquet theory is also employed to validate the HAM results. Finally, the results of this study, in a particular case, are compared and validated with the results of other works.

    Keywords: Functionally graded plate, Moving mass, Dynamic stability, Homotopy analysis method
  • H. Salehipour* Pages 61-77

    In this paper, static buckling of homogeneous beams coated by a functionally graded porous layer with different boundary conditions is investigated based on the Timoshenko beam theory. The principle of virtual work has been used to obtain the governing equations. Two different methods, namely analyticalsolution and numerical solution are used to solve the governing equations and extract the buckling force. The governing equations are coupled as a series of ordinary differential equations. In the analytical solution, these equations are first uncoupled using a series of mathematical operations, and are then solved. The obtained solution has a series of parameters and unknown constants. Using the boundary conditions at the boundaries of the beam, a homogeneous system of equations is extracted, from which the axial buckling force is obtained. In the numerical solution, the generalized differential quadrature method is used to solve the static equations. Finally, the numerical results are presented and the effects of various parameters such as thickness to beam length ratio, porous layer thickness, porosity parameter, etc. on the buckling of the beam are investigated. Comparison of the results obtained from the two analytical and numerical solution methods confirms the accuracy and validity of both methods.

    Keywords: Static buckling, Timoshenko beam, Functionally graded porous material, Exact analytical solution, Generalized differential quadrature method
  • M. Keyhanpour, M. Ghasemi* Pages 79-99

    According to the declining trend of fossil fuel resources and the need to use renewable energies, appropriate research should be conducted for technical and functional studies in this regard. Therefore, in this research, a tubular PEM fuel  cell as a suitable energy source with three-dimensional geometry has been numerically simulated and investigated. For a comprehensive study, the equations of continuity, momentum, energy, stress-strain, and fluid-solid-heat interaction at steady state are defined, coupled together, and then solved by a finite element numerical code. Assuming the cell voltage changes from 0.95 to 0.4 volts, the passage of compressible fuel and air through the channels and porous media of the electrode and catalyst, and also about 6 degrees increase in the average cell temperature, causes approximately 35 nm displacement in different parts. These displacements, due to fluid-solid-heat interactions, cause thermal and mechanical stresses. The maximum stress is about 3500 kN/m2  in the electrolyte due to its displacement limit (average displacement 12.8 nm). Then the relation of voltage variation with current density, stress, fuel flow rate, displacement and fuel cell temperature was shown. Also the results showed that the assumption of fluid-solid-heat interaction reduces the fuel cell power density by about 3%. Finally, the effect of different parameters such as fuel and air channel radius, electronic and ionic conductivity were investigated. For example, at a voltage of 0.4 volt, 20 percent reduction in the radius of air or fuel channels, or 100 percent increase in the electron or ionic conductivity, increases the electrical current density by about 2.17, 0.05, 3.69, and 40 percent, respectively.

    Keywords: Tubular PEM fuel cell, Three dimensional geometry, Energy, Stress- strain, Fluid- solid- heat interaction
  • N. Mashhadi Mohammad Reza, H. Omranpour* Pages 101-119

    One of the most important issues in engineering is to find the optimal global points of the functions used. It is not easy to find such a point in some functions due to the reasons such as large number of dimensions or inability to derive them from the function. Also in engineering modeling, we do not have the relationships of many functions, but we can input and output them as a black box. Therefore, the meta-heuristic algorithms are presented.In this paper, a meta-heuristic algorithm based on the behavior of vortices in fluid physics is presented. Technically, the algorithm is made up of vortices. Each vortex contains some particles. The particles move by the presented rotation matrix. This movement causes the local search. Also by selecting another vortex through the selection algorithm, each vortex attempts to escape the local optima and reach the global optima. The algorithm will explore and exploit the given function using its operators. Another innovation of this paper is the introduction of two new evaluation criteria for optimization algorithms. These two criteria show the behavior and convergence of algorithms along the way to reach the global optimal point or fall into the local optima. The proposed algorithm has been implemented, evaluated and compared with the numerical optimization state of the art algorithms. It was observed that the proposed method was able to achieve better results than most of the other methods in the major of twenty-four standard functions in different dimensions.  (All codes available at http://web.nit.ac.ir/ h.omranpour/.).

    Keywords: Numerical Optimization, Meta-Heuristic Algorithms, Search Space, Evaluation Criteria, Vortex Optimization Algorithm (VOA)
  • F. Jafarzadeh, S. Mehrabian* Pages 121-133

    In this study, a cold atmospheric He plasma jet is investigated. The jet is of dielectric barrier discharge type, consisting of a dielectric tube with two metal ring electrodes. The continuity, momentum and energy conservation equations as well as the Poisson equation for obtaining the potential and the electric field, accompanied with the ideal gas laws, are used for the simulation. The results show that the electron and ion densities, potential and space charge field, internal energy, temperature and velocity of the electrons increase with time. Moreover, the increment of the plasma length and its forward propagation along the jet axis with time is also observed. Therefore, it is expected that the values of the mentioned quantities increase with time, which results in the increment of the plasma jet length.

    Keywords: Atmospheric plasma jet, Dielectric barrier discharge, Plasma, Fluid equations
  • M. Mohieddin Ghomshei*, Sh. Namazi Pages 135-154

    In this article, mechanical buckling analysis of tapered beams having constant width and variable thickness, made of two-dimensional functionally graded materials is studied. The beam is assumed to be made of metal and ceramic, where their volume fractions vary in both longitudinal and thickness directions based on the power law. The beam is generally subjected to combined concentrated and distributed axial loads. The set of governing equations are derived using the Principle of Minimum total Potential Energy (PMPE), and are solved numerically using Differential Quadrature Method (DQM) for clamped-free boundary conditions. Convergence and accuracy of the presented solution are confirmed for both cases of concentrated and distributed axial loads. The effects of different parameters on the critical buckling load of the beam for both load cases are studied including geometrical parameters, gradation indices in longitudinal and thickness directions, and variation of thickness. Also buckling analysis of the beam under a combination of concentrated load and distributed axial loads of linear, quadratic and exponential types are investigated. Numerical results show that the highest values of the critical buckling load belong to the linear distributed load, and the lowest value is owned by exponential load.

    Keywords: Buckling, Distributed load, Tapered beam, Two-dimensional functionally graded materials
  • S. Torfeh, Ramin Kouhikamali* Pages 155-174

    Accurate modeling of fluidization and heat transfer phenomena in gas-solid fluidized beds is not solely dependent  on the particular selected numerical model and involved algorithms. In fact, choosing the right model for each specific operating condition, the correct implementation of each model, and the right choice of parameters and boundary conditions, determine the accuracy of the results in the evaluation of the performance of fluidized beds. In this research, in order to accurately simulate heat transfer in fluidized beds, important and effective parameters on two-fluid Eulerian model that incorporate the kinetic theory of granular flow were investigated. For this purpose, effects of particle-particle and particle-wall restitution coefficient, specularity coefficient, granular temperature and effective thermal conductivity coefficients determination methods on the numerical solution were evaluated. These investigations were first carried out on heat transfer from hot air to solid particles in an adiabatic fluidized bed, and then on a fluidized bed with constant temperature walls for bubbling and turbulent regimes. Results showed that specularity coefficient and effective thermal conductivity are important parameters in heat transfer process from wall to bed. In this case, the zero value of the specularity coefficient causes the air temperature to increase by about 7 degrees in the bubbling regime and about 5 degrees in the turbulent regime, and its unit value gives the same results with the no-slip condition. In addition, considering the solid and gas material thermal conductivities causes the outlet air temperature to be about 26 degrees higher than the temperature that is obtained by considering the effective thermal conductivity coefficients with standard approach. The partial differential and algebraic form of the conservation equation for the particles kinetic energy show identical results in dense fluidized beds, although considering a constant granular temperature can cause computational errors.

    Keywords: Eulerian Method, Two-Fluid Model, Kinetic Theory of Granular Flow, Gas-Solid Fluidized Bed, Heat Transfer
  • R. Zardashti*, S. A. Saadatdar Arani, S. M. Hosseini Pages 175-192

    In this paper, a robust optimization method is developed to solve the Satellite Launch Vehicle (SLV) trajectory design problem in the presence of uncertainties using a powerful Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. Given the uncertainties such as uncertainties in the actual values ​​of aerodynamic coefficients, engine thrust, and mass in the ascent phase of a SLV, it is important to achieve an optimal trajectory that is robust to these uncertainties; because it improves the flight performance, reduces the workload of the guidance-control system, and increases the reliability of the satellite. For this purpose, first the optimization problem is considered by using the criterion of minimizing the flight time of the SLV as a cost function, and three-dimensional equations of motion as constraints governing the problem. Then, by adding the mean parameters and the standard deviation of uncertainties in the cost function, a robust optimizer model is developed and the algorithm is used to numerically optimize the model. Monte Carlo's perspective has also been used to analyze the results of uncertainties and their continuous feedback to the optimization model. Finally, the optimal trajectory is obtained that is robust to the uncertainties. The resulting simulation results show the accuracy of this claim.

    Keywords: Robust optimization, Trajectory design, Uncertainty, Particle swarm optimization algorithm, Satellite launch vehicle