فهرست مطالب

مجله مکانیک سیالات و آیرودینامیک
سال یازدهم شماره 1 (بهار و تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/06/29
  • تعداد عناوین: 12
|
  • افشین مدنی، محمدحسن جوارشکیان*، روح الله کریمی کلایه صفحات 1-16

    در این تحقیق سامانه اسپلیت درگ در زوایای حمله مختلف برای یک هواپیمای بال پرنده توسط یک روش عددی شبیه سازی و بهینه یابی شده است. سامانه اسپلیت درگ با ایجاد پسا نامتقارن بین بال راست و چپ، کنترل محور عمودی را فراهم می کند. هواپیمای مورد مطالعه، یک هواپیما لامبدا شکل زاویه عقب گرد 56 می باشد. سامانه کنترلی اسپلیت درگ نصب شده از دو صفحه بر روی هم تشکیل گردیده است، با باز شدن خلاف جهت در یک سمت هواپیما پسا لازم برای تولید گشتاور گردشی را ایجاد می نماید. موقعیت نصب آن ها، نوک بال ها و در قسمت لبه فرار می باشد. هنگام استفاده از اسپلیت درگ علاوه بر گشتاور گردش، گشتاور غلتشی مزاحمی ایجاد می شود که ناشی از اختلاف پسا بین سطح بالا و پایین این سامانه است و علت این امر تغییرات در زاویه حمله هواپیما می باشد. باز کردن نامتقارن صفحه ها می تواند غلتش ایجادشده را به صفر و در بعضی شرایط به حداقل برساند. آزمایش صورت گرفته در زوایای حمله 0 تا 12 درجه برای زوایای باز شوندگی اسپلیت درگ 10 و 20 و 30 درجه اجرا گردیده است. محاسبات بر پایه ی معادلات (RANS) با روش حجم محدود گسسته سازی شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد بسته به مقدار زاویه حمله چه میزان به زاویه سطوح اسپلیت درگ افزوده شود تا بهینه ترین حالت برای خنثی سازی غلتش پیدا گردد که در نهایت نمودار های بهینه شده این سامانه به دست می آیند.

    کلیدواژگان: اسپلیت درگ رادر، پهپاد، بال پرنده، بهینه یابی، شبیه سازی عددی
  • عباس زارع نژاد اشکذری* صفحات 17-39

    یکی از استراتژی های نوین به منظور بهبود عملکرد و آلایندگی موتورهای دیزلی، استفاده از سوخت های جایگزین و نیز افزودنی های مناسب نظیز نانوذرات به سوخت دیزل می باشد. نانوسوخت ها نقش بسزایی در بهینه کردن فرآیند های احتراق و در نتیجه مصرف سوخت و آلاینده های خروجی دارند. در این مقاله تاثیر افزودن نانوذرات مختلف (نانوذرات اکسیدهای سریم، آلومنیوم و مس) در غلظت 100 پی پی ام، به سوخت دیزل، بر روی فرآیند احتراق و آلایندگی موتورهای دیزلی با استفاده از کد دینامیک سیالات محاسباتی فایر، بررسی شده است. برای ارزیابی نتایج حاصل از شبیه سازی، تغییرات فشار داخل سیلندر، مقدار بیشینه فشار تجربی و زاویه رخداد آن با مقدار حاصل از حل عددی مقایسه شده است. در کنار این پارامتر، مقادیر تجربی آلاینده های اکسیدهای نیتروژن، دوده، توان و همچنین مصرف سوخت ویژه ترمزی با مقادیر عددی ارزیابی گردید. نتایج نشان می دهد که نانوذرات، میزان حرارت منتقل شده به سوخت را افزایش داده و با تسریع احتراق، سبب کاهش زمان تاخیر در اشتعال می گردند. همچنین اختلاط بهتر مخلوط سوخت و هوا، در نانوذرات اکسید سریم نسبت به سایر نانوذرات، مکانسیم اشتعالی سوخت را بهبود بخشیده که منجر به احتراق کامل تر و افزایش 5/14 درصدی توان و نیز کاهش 6 درصدی مصرف سوخت و 34 درصدی آلاینده دوده در مقایسه با سوخت دیزل خالص گردید. تنها نکته منفی آن، افزایش 31 درصدی آلاینده اکسید نیتروژن می باشد که می توان آن را با مبدل های کاتالیزوری کاهش داد

    کلیدواژگان: نانوذرات، موتور دیزلی، آلایندگی، اسپری سوخت، دینامیک سیالحاسباتی
  • امید رهایی، شکوفه آبی، سید آرش سید شمس طالقانی* صفحات 41-55
    کیفیت جریان هوای داخل موزه ها باید چنان باشد تا کمترین آسیب به آثار وارد شود. اختلاف دما و همچنین عدم تهویه موثر و یکنواخت هوا در فضای داخلی گالری ها، از عوامل موثر در تخریب آثار نمایشی موزه ها می باشند؛ لذا یکنواخت سازی فرایند تهویه در تمام فضای داخلی گالری ها، به نحوی که همه نقاط دارای تهویه موثر باشند و اختلاف دما به حداقل برسد، هدف اصلی این پژوهش است. در این میان موزه آثار باستانی شوش به عنوان نمونه موردی این پژوهش انتخاب شد. این پژوهش با توجه به ماهیت آن، میان رشته ای تلقی شده و روش تحقیق آن ترکیبی از راهبردهای تجربی، شبیه سازی و پژوهش موردی است. ابتدا با روشی تجربی، آزمون های دوره ای اندازه گیری و ثبت دما، سرعت و جهت جریان هوا (متغیر وابسته) در نمونه موردی این پژوهش، در دوره آزمون انجام و داده ها ثبت شدند. شبیه سازی ها با روش دینامیک سیالات محاسباتی و به کمک نرم افزار فلوینت پس از اثبات اعتبارسنجی انجام شد و مداخلاتی در فضای داخلی و نیز محل نصب دمنده ها و مکنده ها صورت پذیرفت. سپس به تحلیل داده ها و استخراج نتایج آزمون ها اقدام شد. نتایج نشان داد که فقط با جابه جایی محل دمنده ها و مکنده ها و نیز تغییراتی اندک در محیط، جریان موثر هوای داخل در تمام نقاط داخلی گالری ها برقرار می شود و هم دمایی و یکنواخت سازی فرایند تهویه در فضای داخل، تا 85% بهبود یافت.
    کلیدواژگان: جریان هوای داخل، هم دمایی، موزه شوش، دینامیک سیالات محاسباتی
  • امیرحمزه فرج الهی*، محسن رستمی، علی اصغر نادری صفحات 57-70
    یکی از ابزارهای مهم و اصلی مطالعه جریان و معیار ارزیابی دیگر روش ها مانند روش های عددی، داده های آزمایشگاهی مکانیک سیالات می باشد. بنابراین، کیفیت مطلوب داده هایی که در آزمایشگاه اندازه گیری می شوند، مهم می باشد. میدان سرعت سیال، یکی از اطلاعات مهم هر جریانی است که با ابزارهای مختلفی اندازه گیری می شوند. یکی از آن ابزارها، ابزار اس.پی.آی.وی می باشد. این ابزار، اطلاعات صفحه ای را از مولفه های سرعت جریان در اختیار قرار می دهد. معمولا، داده های استخراج شده از این ابزار، در برخی از نقاط میدان سرعت، به دلایل مختلف و شرایط آزمایشگاهی، دارای خطای زیادی خواهند شد و مقادیر بدست آمده در این نقاط، حذف می گردند که اصطلاحا به آن ها، نقاط نقص گویند. بنابراین، برای بازسازی میدان سرعت در نقاط نقص، روش هایی مورد نیاز است که در این راستا، در پژوهش حاضر، از شبکه های عصبی مصنوعی، همانند ام.ال.پی و سی.ان.ان استفاده خواهیم کرد. بهینه سازی تعداد نرون های شبکه ام.ال.پی، توسط میانگین خطای داده های تست و تطابق تصاویر، به انجام رسید. خطای نهایی برای هر یک از روش ها بدست آمده است که با توجه به خطاها و تطابق میدان سرعت بازسازی شده با داده های آزمایشگاهی، این نتیجه حاصل شد که برای هر دو مولفه سرعت، شبکه عصبی سی.ان.ان بهترین عملکرد را داشته است.
    کلیدواژگان: بازسازی، نقاط نقص، میدان سرعت، ام.ال.پی، سی.ان.ان، اس.پی.آی.وی
  • میراعلم مهدی*، محمد ملک پور صفحات 71-81
    در این تحقیق به استخراج ضرایب هیدرودینامیکی ربات ریموس پرداخته می شود. جهت استخراج ضرایب از کد تخمین گر فیلتر کالمن استفاده می شود. برای تخمین ضرایب هیدرودینامیکی بدون اطلاع داشتن از مقادیر اولیه آن ها نیاز به اطلاعات زمانی و مکانی مانور مورد نظر می باشد. این اطلاعات به چند طریق قابل دسترسی است که از جمله آن ها می توان به روش های تجربی که اطلاعات مورد نیاز جهت تخمین ضرایب را از سنسورهای نصب شده بر روی ربات جمع آوری می کنند. در این مقاله با استفاده از شبیه سازی مانور ربات در نرم افزار CFX خروجی های مربوط به اطلاعات مکان و زمان جمع آوری می شود. لازم به ذکر است از شبکه بندی متحرک برای شبیه سازی ربات استفاده شده است. در روش شبکه بندی متحرک در صورت کاهش کیفیت شبکه از یک میزان مشخص، شبکه بندی اطراف ربات به محیط WB فراخوانی می شود و پس از انجام شبکه بندی جدید برای ادامه شبیه سازی به محیط CFX بازگردانده می شود. مانور سینوسی در صفحه افقی برای شبیه سازی در نرم افزار CFX انتخاب شده است. نتایج جمع آوری شده از شبیه سازی مانور سینوسی به عنوان ورودی به کد تخمین گر فیلتر کالمن اعمال شده است. ضرایب هیدرودینامیکی مورد نظر جهت استخراج به عنوان مجهول در معادلات کنترلی ربات تعریف شده است. ضرایب هیدرودینامیکی در این مانور با دقت خوبی استخراج شده اند. همچنین جهت بهبود کد متلب برای افزایش دقت استخراج ضرایب هیدرودینامیکی، معادلات کنترلی به صورت ماتریس نوشته شده است. با این روش تعداد ضرایب استخراج شده کاهش یافته اما ضرایب با دقت بالاتر، استخراج شده اند.
    کلیدواژگان: ضرایب هیدرودینامیکی، ربات زیرسطحی، فیلتر کالمن
  • محمدکاظم مویدی*، زهره خاکزاری، فرشاد صباغ زادگان صفحات 83-96

    در این پژوهش  با استفاده از روش تجزیه مودهای دینامیکی و با بهره گیری از مفاهیم پایه ای سیستم دینامیکی، معادله برگرز لزج به صورت یک مدل رتبه کاسته مبتنی بر داده و فیزیک، تبدیل شده است. بر همین اساس، مبتنی بر تصویرسازی معادله حاکم در فضای برداری مودهای میدان، مدل کاهش مرتبه یافته با توجه به ویژگی مودهای اصلی بدست می آید. این الگو به منظور شبیه سازی تغییرات زمانی سیستم در بازه زمانی بلند می تواند دچار ناپایداری شود. از این رو از رویکردی مبتنی بر مفهوم لزجت گردابه ای برای پایدارسازی رفتار مدل کمک گرفته شده است. این اصلاح سبب می شود مدل رتبه کاسته به درستی بتواند جایگزین معادله اصلی شده و با دقت بسیار مناسبی رفتار سیستم موردنظر را پیش بینی کند. مقایسه نتایج حاصل از مدل رتبه کاسته حاضر با شبیه سازی های حاصل از حل دقیق، دقت بالا در محاسبات را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: مدل رتبه کاسته، معادله برگرز لزج، تجزیه مودهای دینامیکی، الگوی لزجت گردابه ای
  • علیرضا خشنوید، محمدکاظم مویدی* صفحات 97-113

    امروزه مجموعه گردآوردنده خورشیدی سهموی یکی از موثرترین فن آوری ها برای تولید الکتریسیته می باشد. عملکرد یک سلول خورشیدی تحت تاثیر انباشت ذرات گرد و غبار روی سطح آن تغییر می کند. برای مطالعه میدان جریان اطراف مجموعه ای از سلو ل های خورشیدی، از مدل جریان سه بعدی و روبکرد اویلری همراه با مدلسازی اثرات آشفتگی مبتنی بر مدل SST k-w و برای مدلسازی جابجایی ذرات گرد و غبار از الگوی لاگرانژی بهره برده شده است. روش حل عددی در این شبیه سازی (الگوریتم سیمپل، روش مرتبه دوم بالادست و روش ذوزنقه ای جهت انتگرال گیری از معادله حرکت ذرات) می باشد. نتایج نشان از افزایش ضریب پسا با زاویه گام می دهد. همچنین ضریب برآ در زاویه 30 درجه حداکثر مقدار مطلق خود را داشته و در زوایای صفر و 90 درجه به مقدار صفر نزدیک می شود. علاوه بر این گشتاور پیچشی وارد بر مرکز دوران سلول، در زوایای گام 30 و 45 درجه و گشتاور سمتی در زاویه 90 درجه حداکثر مقدار خود را دارد. رفتار نشست ذرات نشان دهنده نشست بیشتر ذرات بر روی سلول مقابل جریان غالب باد، درمقایسه با سلول های دیگر است. همچنین هرچه سرعت جریان هوا کمتر و زاویه گام بیشتر باشد، نشست ذرات بیشتر می شود. از دیگر نتایج می توان به کاهش کمتر بازده با افزایش سرعت اشاره کرد و زوایای 45، 60 و 75 درجه کاهش بازده حدودا یکسانی دارند.

    کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، سلول سهموی خورشیدی، رسوب گرد و غبار، زاویه گام، راندمان سلول خورشیدی
  • حمیدرضا نظیف*، رضا کریمی احمدی صفحات 115-132

    در سال های اخیر راکتورهای بستر سیال به دلیل خصوصیاتی چون توزیع دمای یکنواخت، اختلاط مناسب فازها و نرخ انتقال حرارت بالا بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. نرخ انتقال حرارت بالا در بستر سیال به عوامل هیدرودینامیکی بستر وابسته می باشد. از این رو در این پژوهش، اثرات تغییر اندازه قطر ذرات، تغییر سرعت هوای ورودی و تغییر مدل پسا بر روی عملکرد ذرات گروه گلدارت B در بستر سیال حبابی به وسیله مطالعه توزیع متوسط زمانی سرعت محوری ذرات و توزیع متوسط زمانی کسر حجمی ذرات در بستر سیال بررسی شده است. بنابراین در این پژوهش، از رویکرد جریان دو فازی اویلرین و تیوری انرژی جنبشی دانه ای بر روی بستر سیال استفاده شده است. ذرات با قطرهای (500،530،570،600 میکرومتر) در نظر گرفته شده است. در نتیجه این مطالعه، با افزایش اندازه قطر ذرات جامد از 500 به 600 میکرومتر متوسط سرعت ذرات جامد در حوالی هسته بستر حدود 45 درصد کاهش می یابد. با افزایش اندازه قطر ذرات از 500 تا 600 میکرومتر 14 درصد تجمع ذرات جامد در کف بستر افزایش می یابد. مدل پسا شملال-ابراین کمترین سرعت رو به پایین (سرعت منفی) در نزدیکی دیوارها و کمترین سرعت رو به بالا (سرعت مثبت) را در حوالی هسته بستر نسبت به سایر مدل های پسا پیش بینی می کند. همچنین مدل پسا شملال-ابراین بیشترین متوسط کسر حجمی ذرات جامد را نسبت به سایر مدل های پسا پیش بینی می کند. با افزایش سرعت از 550/0 متر بر ثانیه به 587/0 متر بر ثانیه، متوسط سرعت ذرات در حوالی هسته بستر حدود 40 درصد افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: بستر سیال حبابی، جریان دو فازی، اویلرین، هیدرودینامیک، مدل پسا، قطر ذرات جامد، سرعت هوای ورودی
  • امیره نوربخش*، عباس عینی صفحات 133-144

    حرکت حباب ها روی سطوح شیب دار مانند کانال های شیب دار، دارای کاربردهای علمی و صنعتی بی شماری است. در پژوهش حاضر به بررسی و شبیه سازی سه بعدی حرکت عرضی یک حباب درون کانال شیب دار در جریان پواسل، با حضور نیروی گرانش پرداخته شده است. معادلات ناویر- استوکس که شامل کشش سطحی است، به صورت عددی به وسیله روش اختلاف محدود/ ردیابی جبهه حل می شوند. این روش، ترکیبی از روش های تسخیر و ردیابی قطره است. نتایج شبیه سازی حاکی از آن است که سرعت بدون بعد در جهت جریان با افزایش عدد کاپیلاری افزایش می یابد؛ همچنین با افزایش شیب سطح، مقدار نیروی گرانش در راستای جریان افزایش و مقدار نیروی گرانش در جهت عمود بر جریان کاهش می یابد و حباب به مرکز کانال نزدیک تر می شود. در بررسی سرعت محوری حباب نسبت به زمان در زاویه های شیب سطح مختلف ، مشاهده شد که با افزایش مقدار زاویه شیب، سرعت حباب افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: حباب، روش اختلاف محدود، ردیابی جبهه، جریان پواسل، عدد کاپیلاری، زاویه شیب کانال، عدد فرود
  • علیرضا سخاوت بنیس، رضا آقایی طوق* صفحات 145-157
    برای دستیابی به انرژی پاک و پایدار برای جابه جایی و تولید قدرت، طراحان موتور خواستار عملکرد بالا و پیشران قوی هستند. پره های کمپرسور وظیفه افزایش ضریب اتلاف را دارند و در طراحی، باید جلوگیری از پدیده های مخربی نظیر جدایش جریان در نظر گرفته شود. اگر بتوان فشار معکوس روی پره را به گونه ای مهندسی نمود که باعث جلوگیری از جدایش جریان و کنترل گردابه ها شود، می توان به ضریب اتلاف بالاتری دست یافت. یک راه مطمین برای دستیابی به این هدف، استفاده از تاندم می باشد که عبارت است از قرار دادن یک پره ثانویه کوچک در عقب پره اصلی. در تحلیل عددی حاضر، روتور و طبقه دارای تاندم طراحی و تست شده در مرکز تحقیقات لویس ناسا، مطالعه شده است. هندسه موردنظر از منبع مذکور، اخذ و شبکه با کیفیت بالا با حدود 896 هزار گره بر آن اعمال گردید و سپس توسط نرم افزار تجاری CFX با مدل آشفتگی SST  مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. روتور و طبقه آن در 5 دور و در نتیجه 5 نسبت فشار متفاوت مطالعه و گردابه های پس از آن موردبررسی و تفسیر قرار گرفته است. در نهایت مشاهده می شود که در دور 2105 (نصف دور نامی)، هم در روتور و هم در طبقه کمپرسور دارای تاندم، گردابه ها به صورت کامل مهار نمی شوند و سطح بسیار کمی از نمودار فشار برحسب وتر را اشغال می نماید و بدین ترتیب عملکرد مناسبی ندارد. در نسبت فشار 0.9 نیز شاهد آشفتگی فراوان پس از پره هستیم که برای عملکرد کمپرسور مناسب نیست. متقابلا در دور 4210 (دور نامی) گردابه ها به خوبی مهار شده و کاهش فشار را به خوبی شاهد هستیم؛ همچنین سطح بسیاری را در نمودار فشار برحسب وتر، اشغال می نماید. در نسبت فشار 1.1038 نیز شاهد شکل گیری مناسب و کنترل گردابه ها جهت کاهش آشفتگی هستیم.
    کلیدواژگان: کمپرسور تاندم، گردابه، نسبت فشار، منحنی مشخصه
  • امین ایمانی* صفحات 159-172
    یک روش کارآمد جهت کنترل موتور هواپیماهای تجاری ساختار چندحلقه Min-Max است. در این مقاله، یک کنترلر Min-Max با ساختار سوییچینگ و حاوی رگولاتورهای فیدبک خروجی و تابع اشباع روی نرخ جریان سوخت برای یک موتور توربوفن طراحی می شود. علاوه بر عملکرد مطلوب، تحلیل پایداری یک مسیله مهم در فرآیند طراحی کنترلر برای موتورهای هوایی است. به دلیل رفتار سوییچینگ روش Min-Max، پایداری تک تک حلقه ها پایداری کل سیستم را تضمین نمی کند؛ بنابراین یک روش جهت تحلیل پایداری سیستم حلقه بسته ارایه می شود. برای این منظور، عملگرهای Min، Max و تابع اشباع با معادل های غیرخطی آن ها جایگزین شده و ساختار سیستم کنترلی به شکل متعارف سیستم لور تبدیل می شود. سپس شرایط برای پایداری مجانبی استخراج شده و با استفاده از روش ارایه شده، اثبات پایداری مجانبی برای سیستم حلقه بسته انجام می گیرد. در یک شبیه سازی با مدل غیرخطی از یک موتور توربوفن، عملکرد کنترلر Min-Max طراحی شده در برآوردن تراست و مدیریت قیود با روش Min-Max/SMC مقایسه می شود.
    کلیدواژگان: موتور توربوفن تجاری، ساختار سوئیچینگ Min-Max، رگولاتور فیدبک خروجی، تابع اشباع غیرخطی، پایداری مجانبی
  • شهروز یوسف زاده *، محمدمهدی دوستدار، رضا سرلک صفحات 173-197

    در این پژوهش انتقال حرارت جابجایی آزاد برای محفظه مربعی شکل حاوی دو نانوسیال آب-آلومینا و آب-مس که تحت تاثیر میدان مغناطیسی مورب قرار دارد به روش عددی شبیه سازی شده و تاثیر پارامترهایی مانند عدد رایلی ()، عدد هارتمن ()، زاویه میدان مغناطیسی ()، کسر حجمی نانوذرات ()، نوع منبع حرارتی (خطی یا سینوسی)، طول منبع حرارتی () و پارامتر غیریکنواختی چشمه ()، بر روی میدان های جریان و دما مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که با افزایش عدد رایلی و عدد هارتمن، میزان انتقال حرارت به ترتیب افزایش و کاهش می یابد. همچنین عملکرد حرارتی محفظه با افزایش زاویه میدان مغناطیسی (از 0 تا 90 درجه) بهبود می یابد و با افزودن نانوذرات جامد به سیال پایه افزایش نسبی انتقال حرارت در محفظه مشاهده می شود. در اعداد رایلی بالا و پایین، بیشینه انتقال حرارت مربوط به چشمه دما ثابت می باشد و پس از آن برای اعداد رایلی بالا چشمه سینوسی با  و برای اعداد رایلی پایین، که انتقال حرارت هدایت بر محفظه حاکم است، چشمه خطی با  دارای بیشترین عدد ناسلت متوسط می باشند. با بررسی طول منابع حرارتی می توان دریافت که با افزایش طول چشمه ها، میزان انتقال حرارت افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت، نانوسیال، میدان مغناطیسی، محفظه مربعی، چشمه حرارتی
|
  • Afshin Madani, MohammadHassan Djavareshkian *, Ruhollah KARIMI KELAYEH Pages 1-16

    In this research, the split drag system at different AOA for a flying wing aircraft has been simulated and optimized by a numerical method. The split drag system provides vertical axis control by creating asymmetric drag between the right and left wings. The aircraft under study is a lambda shape aircraft with a swept-back angle of 56. The split drag control system is made up of two surfaces on top of each other, by opening in the opposite direction on one side of the aircraft, it creates the drag necessary to produce yawing moment. Their installation position is at the tip of the wings and on the trailing edge. When using split drag, in addition to the yawing moment, a disturbing rolling moment is created, which is caused by the drag difference between the upper and lower surface of this system, and the reason for this is the change in the AOA of the aircraft. Asymmetric opening of the surfaces can reduce the induced roll to zero and in some cases to a minimum. The test was carried out in AOA of 0 to 12ᵒ for drag split opening angles of 10, 20, and 30ᵒ. Calculations based on equations (RANS) are discretized with the finite volume method. The obtained results show how much to add to the angle of the split drag surfaces depending on the AOA in order to find the most optimal mode to neutralize the roll, and finally, the optimized diagrams of this system are obtained.

    Keywords: split drag rudder, UAV, flying wing, Optimization, Numerical Simulation
  • Abbas Zarenezhad Ashkezari * Pages 17-39

    One of the novel strategies to improve the performance and emissions of diesel engines is the use of alternative fuels as well as suitable additives such as nanoparticles to diesel fuel. Nanofuels play an important role in the optimization of combustion processes, fuel consumption, and emissions. In this paper, the effect of adding different nanoparticles (cerium, aluminum, and copper oxide nanoparticles) at a concentration of 100 particles per million (ppm) to diesel fuel on the combustion process and emissions of diesel engines has been investigated by using FIRE computational fluid dynamics code. For validation, the in-cylinder pressure variations, the experimental peak pressure, and the angle of occurrence are compared with the numerical results. In addition, the experimental data of NOx, soot, power as well as brake specific fuel consumption were evaluated with numerical values. The results show that nanoparticles increase the amount of heat transfer to the fuel and decrease the ignition delay. Also, better mixing of fuel and air in cerium oxide nanoparticles compared to other nanoparticles improved the fuel ignition mechanism, which leads to more complete combustion and a 14.5% increase in power and also a 6% and 34% reduction in fuel consumption and soot compared to diesel fuel respectively. The only downside is the 31% increase in NOx, which can be reduced by catalytic converters.

    Keywords: Nanoparticles, Diesel Engine, Emissions, Fuel Spray, CFD
  • Omid Rahaei, Shekoofeh Abi, S.Arash S. Shams * Pages 41-55
    The interior design of archeological museums should be such that the least damage is done to the works. Meanwhile, the temperature difference and the lack of uniform air ventilation in the interior of the galleries is one of the influential factors in the destruction of museums. Therefore, the main goal of this study was to standardize the ventilation process in all the interiors of the galleries so that all points have adequate ventilation and the temperature difference is minimized. All tests were performed in the Museum of Antiquities of Shush as a test sample. Due to its nature, this research is considered interdisciplinary, and its research method combines experimental, simulation, and case study strategies. First, periodic tests were performed experimentally in the Museum of Antiquities of Shush (case study). The temperature, speed, and direction of indoor air flow (dependent variable) were measured and recorded during the test period by precision digital devices. Simulations were performed by computational fluid dynamics (CFD) method with the help of Gambit and Fluent software after proving validity and reliability and architectural interventions were made. Then the data were analyzed, and test results were extracted. Based on the interventions that took place in the architecture and ventilation systems, with only the relocation of the blowers and vacuum cleaners and small changes in the composition of the interior architecture of the galleries, the effective flow of indoor air was established in all interior parts of the galleries. Its interior was improved by 85%.
    Keywords: Indoor airflow, isotherm, Shush Museum, CFD
  • Amirhamzeh Farajollahi *, Mohsen Rostami, Aliasghar Naderi Pages 57-70
    One of the important and main tools for studying flow and evaluation criteria of other methods such as numerical methods is experimental data of the fluid mechanics. Thus, the appropriate quality of the data, that are measured in the laboratory, is important. One of the important information of any flow is fluid velocity field, that is measured by different instruments. One of those tools is the SPIV tool. This tool provides sheet information from the flow velocity components. Generally, the data extracted from this tool will have big errors in some points of the velocity field, for various reasons and laboratory conditions, and the values obtained in these points will be eliminated, which are called gappy points. Therefore, in order to reconstruct the velocity field at these gapps, methods are needed. In this regard, in the present study, we will use artificial neural networks, such as MLP and CNN. The optimization of the number of neurons in the MLP network was performed by the mean error of the test data and the matching of the images. The final error was obtained for each of the methods, which due to the errors and accommodation between the reconstructed velocity field and experimental data, it was obtained that for both velocity components, the CNN neural network had the best performance.
    Keywords: Reconstructing, Gappy points, Velocity Field, MLP, CNN, SPIV
  • Miralam Mahdi *, Mohammad Malekpoor Pages 71-81
    Estimation of the hydrodynamic coefficients of an autonomous underwater vehicle is the purpose of this paper. The Kalman filter method has been used for estimating the AUV hydrodynamic coefficients.  To estimate hydrodynamic coefficients without knowing their initial values, spatial and temporal information of the AUV are needed. This information can be collected through different methods including experimental methods which gather the required information by the sensors installed on the AUV. In this paper, outputs related to the time and location information are collected using robot maneuver simulation in CFX software, with a movable grid being used to simulate the robot maneuver. In movable grid method, when the mesh quality has been reduced by a certain level, the meshing around the robot is summoned to the WB environment and after performing the new meshing, it is returned to the CFX environment to continue the simulation. To derive the hydrodynamic coefficients of the autonomous underwater vehicle, a sinusoidal maneuver at three degrees of freedom is selected for simulation in CFX software. The collected results from the sine maneuver simulation are applied as input to the Kalman filter estimator code. The hydrodynamic coefficients whose extraction is desired, are defined as unknown parameters in the robot control equations. In this maneuver the hydrodynamic coefficients have been extracted with good accuracy. Also to improve the Matlab code and increase the accuracy of extracting hydrodynamic coefficients, the control equation are written in the matrix form. Thus, the number of extracted coefficients are decreased but the coefficients are extracted with higher accuracy.
    .
    Keywords: Hydrodynamic Coefficients, Underwater Vehicle, Kalman Filter
  • MohammadKazem Moayyedi *, Zohreh Khakzari, Farshad Sabaghzadeghan Pages 83-96

    In this research, using the dynamic modes decomposition and using the basic concepts of the dynamical system, a data driven-physics informed reduced-order model has been developed for the viscous Burgers equation. Accordingly, based on the projection of the governing equation into the modal space, a reduced model is obtained according to the characteristics of the dominant modes. This model when used to simulate the field dynamics over a long time period, may become unstable. Therefore, an approach based on the concept of eddy viscosity closure has been used to stabilize the model behavior. This modification allows the reduced-order model to be a surrogate model of the original equation and predict the time evolution of the dynamical system with relative good accuracy. Comparing the results of the present reduced order model with the data obtained from the direct numerical simulations shows a high computational accuracy.

    Keywords: Reduced order model, Viscous Burgers equation, Dynamic modes decomposition, Eddy viscosity closure
  • Alireza Khoshnavid, MohammadKazem Moayyedi * Pages 97-113

    Today, the parabolic solar collector set is one of the most effective technologies for generating electricity. The performance of a solar cell changes under the accumulation of dust particles on its surface. In this research a three-dimensional flow model and the Eulerian approach with SST k-w based turbulence modeling are used to study the flow field around a set of solar cells, and the Lagrangian approach is used to model the displacement of dust particles. The numerical method used in this simulation is the SIMPLE Algorithm, whilst the upstream second-order method and the Trapezoidal method are applied for the particle motion equation integration. The results show an increase in the drag coefficient with the pitch angle. Also, the lift coefficient has an absolute maximum value at an angle of 30 degrees and approaches zero at the angles of zero and 90 degrees. In addition, the pitch torque at the center of the cell rotation has a maximum value at 30 and 45 degree pitch angles and the lateral torque has its maximum value at 90 ° angle. The particle settling behavior indicates that compared to other cells, the cell that faces the prevailing wind flow has more particle accumulation on it. Also, at low-speed airflow and high pitch angle, the particle deposition increases. The research outcomes show less efficiency reduction with increasing speed, and approximately the same efficiency at the pitch angle of 45, 60, and 75 degrees.

    Keywords: Computational Fluid Dynamics, solar parabolic cell, dust deposition, pitch angle, solar cell efficiency
  • HamidReza Nazif *, Reza Karimi Ahmadi Pages 115-132

    In recent years, fluidized bed reactors have attracted much attention due to features such as uniform temperature distribution, better mixing phases, and high heat transfer rates. The high heat transfer rate in the fluidized bed depends on the hydrodynamic factors of bubbling bed. Therefore, in this study, the effects of particle diameter change, inlet air velocity change and drag model change on Geldart Group B particle performance in a bubbling fluidized bed by studying the mean particles axial velocity distribution and the mean particles volume fraction distribution in the bubbling Fluidized bed. Therefore, in this research, the Eulerian multiphases flow approach and the kinetic theory of granular flow in the fluidized bed have been used. Particles with diameters (500,530,570,600 micrometers) are considered. As a result of this study, by increasing the solid particles diameter from 500 to 600 μm, the solid particles average velocity around the bed core decreases about 45%. By increasing the particle diameter from 500 to 600 μm, the solid particles accumulation in the bed bottom increases by 14%. The Syamlal-O'Brien model predicts the lowest downward velocity (negative velocity) near the walls and the lowest upward velocity (positive velocity) near the bed core compared to other drag models. The Syamlal-O'Brien model also predicts the highest average solid particle volume fraction compared to other drag models. With increasing velocity from 0.550 m/s to 0.587 m/s, the average particle velocity around the bed core increases by about 40%.

    Keywords: Bubbling Fluidized Bed, Eulerian. Two-phase flow, Hydrodynamic, Drag model, Diameter of solid particles, Air inlet velocity
  • Amireh Nourbakhsh *, Abbas Eini Pages 133-144

    The movement of bubbles on inclined surfaces, such as inclined channels, has numerous scientific and industrial applications. In the present study, a three-dimensional study of the lateral motion of a bubble within an inclined channel due to the pressure gradient (Poiseuille flow) in the presence of gravity force is investigated. The Navier-Stokes equations are solved numerically using the finite difference/front tracking method. This method is a combination of drop capture and tracking methods. The results demonstrate that the dimensionless velocity in the flow direction is enhanced with the capillary number. Also, as the channel inclination angle increases, the amount of gravitational force in the direction of the flow ( ) increases and the amount of gravitational force in the direction perpendicular to the flow ( ) decreases, and the bubble becomes closer to the channel center. It is found that the axial velocity of the bubble increases with the channel inclination angle.

    Keywords: Bubble, Finite Difference, Front Tracking Method, Poiseuille Flow, Capillary number, Channel inclination angle, Froude number
  • Alireza Sekhavat Benis, Reza Aghaei Togh * Pages 145-157
    .To achieve clean and sustainable energy for power generation and displacement, the engine designers demand a high performance and powerful propulsion. The compressor blades have the task of increasing the loss coefficient and should be considered in the design to prevent the destructive phenomena such as the flow separation. If the reverse pressure on the vane could be engineered in such a way as to prevent the flow separation and control the vortices, a higher loss coefficient would be achieved. A reliable way to achieve this goal is to use a tandem, which is obtained by placing a small secondary blade behind the main blade. In the present numerical analysis, a tandem rotor and stage designed and tested at NASA's Lewis Research Center are studied. The desired geometry is extracted from the mentioned source and a high-quality network with about 896 thousand nodes is applied to it, and then considering the  SST turbulence model, it is analyzed by the CFX commercial software. The rotor and its stage are studied in 5 rounds and therefore 5 different pressure ratios, and the resulting vortices are also subject to investigation and interpretation. Finally, it can be seen that at 2105 revolutions (half of the nominal revolution), both in the rotor and in the tandem compressor stage, the vortices are not fully restrained and occupy a very small area of the pressure diagram in terms of chords, thus demonstrating inappropriate performance. At a pressure ratio of 0.9, we also see a lot of turbulence after the vane, which is not suitable for the operation of the compressor. On the other hand, at 4210 rpm (nominal rpm), the vortices are well restrained and a good reduction in the pressure is observed. It also occupies a lot of space in the graph of pressure by chord. Also, at the pressure ratio of 1.1038, we see a proper formation and control of vortices to reduce the turbulence.
    Keywords: tandem compressor, Vortex, pressure ratio, Characteristic curve
  • Amin Imani * Pages 159-172
    An efficient approach to control the engine of a commercial aircraft is the Min-Max multi-loop structure. In this paper, a Min-Max controller with a switching structure containing output feedback regulators and a saturation function on the fuel flow rate is designed for a turbofan engine. In addition to desirable performance, the stability analysis is an important issue in the process of controller design for aero-engines. Because of the switching behavior of the Min-Max approach, the stability of each single loop by itself does not ensure the stability of the whole system. Therefore, a procedure is provided to analyze the stability of the closed loop system. For this purpose, the Min and Max operators and the saturation function are replaced by their nonlinear equivalents and the structure of the control system is converted to the canonical configuration of the Lure’s system. Then, the conditions for asymptotic stability are extracted and using the presented approach, an asymptotic stability proof is achieved for the closed loop system. In a simulation study with the nonlinear model of a turbofan engine, the performance of the designed Min-Max controller in the thrust attainment and limitation management is compared with the Min-Max/SMC technique.
    Keywords: Commercial turbofan engine, Min-Max switching structure, Output feedback regulator, Nonlinear saturation function, Asymptotic stability
  • Shahrouz Yousefzadeh *, Mohammad Mehdi - Doustdar, Reza Sarlak Pages 173-197

    In this research, the natural convection heat transfer for a square enclosure containing two Nano-fluids, water-alumina and water-copper, which is affected by a diagonal magnetic field, is simulated numerically and the effects of some parameters such as Rayleigh number ( ), Hartmann number ( ), magnetic field angle ( ), nanoparticle volume fraction ( ), type of heat source (linear or sine), length of the heat source ( ) and the non-uniformity parameter of the source ( ) have been studied on the flow and temperature fields. The results show that with increasing Rayleigh  number and Hartmann number, the amount of heat transfer increases and decreases, respectively. Also, the thermal performance of the enclosure is improved by increasing the angle of the magnetic field (from 0 to 90 degrees) and by adding solid nanoparticles to the base fluid, it means a relative increment in enclosure heat transfer is observed. In both high and low Rayleigh numbers, the maximum heat transfer is related to the constant temperature source. After that, for high Rayleigh numbers a sinusoidal source (λ = 1) and for low Rayleigh numbers a linear source (λ =0.5), where the conduction heat transfer dominates on enclosure, have the highest average Nusselt number, respectively. The results also indicate that when the length of heat sources increases, the rate of heat transfer increases too.

    Keywords: Heat Transfer, Nano-Fluid, Magnetic Field, Square Enclosure, Heat Source