فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و دوم شماره 12 (آذر 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/09/30
  • تعداد عناوین: 6
|
  • سجاد بهزادی پور، محمدباقر محمد صادقی آزاد* صفحات 697-714

    در این مقاله تاثیر استفاده از نانوسیال اکسید آهن با سه غلظت حجمی 0/01%، 0/03% و 0/06%، و تزریق جریان ثانویه بر مقدار انتقال حرارت جابجایی و ضریب اصطکاک در یک لوله افقی بصورت تجربی بررسی شده است. جریان ثانویه بمنظور ایجاد آشفتگی بیشتر به پنج مدل مختلف به جریان اصلی در محدوده رینولدز 5865 تا 18800 تزریق شده است. طول و قطر لوله آزمایش به ترتیب 65 Le= و 1/7 D= سانتی متر، قطر سوراخ های تزریق جریان ثانویه 4/5 و 3 =d میلی متر، نسبت دبی حجمی جریان ثانویه به جریان کلی 20% و 10%  و فاصله بین سوراخ های تزریق جریان ثانویه 4 و 2 =  در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهند که افزایش قطر سوراخ های تزریق جریان ثانویه، نسبت دبی حجمی جریان ثانویه به جریان کلی و کاهش فاصله بین سوراخ های تزریق جریان ثانویه در افزایش ضریب بهره موثر می باشند. با استفاده از سیال آب، بالاترین ضریب بهره در حالت4/5d= میلی متر، 20%  و 2  در هر مدل بدست آمد. در این حالت میانگین ضریب بهره در کلیه رینولدزها برای مدل اول تا پنجم به ترتیب 1/256، 1/266، 1/31، 1/45 و 1/52 بدست آمد. حالت فوق در مدل چهارم و پنجم بالاترین عملکرد حرارتی را دارا می باشد. با استفاده از نانو سیال اکسید آهن با سه غلظت حجمی 0/01%، 0/03% و 0/06% نسبت به سیال آب، میانگین ضریب بهره در کلیه رینولدزها برای حالت فوق در مدل چهارم به ترتیب0/91%، 3/97% و 4/98% بصورت مشابه در مدل پنجم این افزایش به ترتیب1/58%، 4/56% و 5/66% بدست آمد.

    کلیدواژگان: عملکرد حرارتی، نانوسیال، تزریق جریان ثانویه، آزمایشگاهی
  • علیرضا اسدی*، فرزاد جعفرکاظمی، محمدحسن جلال الدین ابیانه صفحات 715-726

    مفهوم ساختمان انرژی صفر [1] برای کاهش مصرف انرژی و انتشار کربن در سطح جهانی  و در بخش ساختمان معرفی شده است. برای اجرای ساختمان های انرژی صفر از سیستم های انرژی تجدیدپذیر مانند کلکتور حرارتی خورشیدی، کلکتور فتوولتاییک [2] و سیستم های پمپ حرارتی منبع هوا [3] استفاده می شود. این مطالعه یک سیستم ترکیبی پمپ حرارتی منبع هوا با کلکتور فتوولتاییک حرارتی یکپارچه با ساختمان را برای تحقق ساختمان انرژی صفر در مقیاس کوچک پیشنهاد می کند. در این مقاله به منظور ارزیابی کارکرد سیستم، یک مدل سیستم ترکیبی پمپ حرارتی منبع هوا با کلکتور فتوولتاییک حرارتی یکپارچه با سقف ساختمان طراحی شده و مدل بار ساختمان نیز بر اساس شرایط واقعی ساختمان تعریف شد. سپس عملکرد گرمایشی و سرمایشی سیستم ترکیبی پمپ حرارتی منبع هوا با کلکتور فتوولتاییک حرارتی یکپارچه با سقف ساختمان به مدت یک سال با استفاده از نرم افزار TRNSYS [4] شبیه سازی دینامیکی شد و سیستم برای کاربردهای مختلف از دیدگاه های انرژی، اقتصادی و زیست محیطی به صورت عددی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد برای این سیستم مصرف انرژی تجدیدناپذیر اولیه 19/9 کیلووات ساعت بر مترمربع در سال می باشد. با توجه به اینکه این مقدار کمتر از مقدار آستانه انرژی گرمایشی برای ساختمان انرژی صفر بود، لذا سیستم پیشنهادی شرایط ساختمان انرژی صفر را به خوبی برآورده کرد. بعلاوه نشان داده شد که برای یک منطقه مشخص، با اینکه فناوری فتوولتاییک حرارتی منجر به کاهش مصرف انرژی اولیه تجدید ناپذیر می شود ولی انرژی خورشیدی تولیدی توسط آن از انرژی تولیدی توسط کلکتورهای فتوولتاییک کمتر است.

    کلیدواژگان: انرژی خورشیدی، ساختمان انرژی صفر، پمپ حرارتی منبع هوا، کلکتور فتوولتائیک حرارتی یکپارچه با ساختمان
  • فرید باقرپور، علیرضا صادقی*، سید کامبیز قائمی اسکویی صفحات 727-736

    رسانایی مذاب فلزات این امکان را فراهم می سازد تا بتوان با بهره گیری از نیروهای الکترومغناطیس بدون استفاده از قطعه ای مکانیکی، به مذاب نیرو وارد نموده و موجب جابه جایی آن شد. از جمله مزیت های مهم این فرایند، حذف قطعات مکانیکی است که معمولا در تماس با مذاب های فلزات در خطر خوردگی و تنش حرارتی قرار می گیرند. در این پژوهش نوعی پمپ الکترومغناطیسی به منظور ایجاد جریان منقطع مذاب به هدف دستیابی به نازل قابل کنترل در کاربردهای مختلف معرفی شده است. در این پمپ تولید قطرات بر حسب تقاضا بر اساس تخلیه قطره های سیال رسانا به کمک ایجاد جریان گردابی و نیروهای الکترومغناطیسی متناوب در داخل مذاب استوار است. ساز و کار این سیستم بر مبنای کویل القایی به واسطه جریان متناوب سبب ایجاد نیروی تناوبی در مذاب و در نهایت ایجاد جریان منقطع داخل مذاب می شود. مهم ترین پارامترهای موثر در کویل القایی محرک جریان مذاب، ولتاژ، جریان و فرکانس هستند که به منظور کنترل عملکرد پمپ، درک صحیح از عملکرد آن ها ضروری است. در این پروژه با بررسی و مطالعه پارامترهای مختلف تاثیرگذار در ایجاد این جریان منقطع اقدام به طراحی دستگاهی به منظور تولید قطرات مذاب شد.  نتایج نشان داد که در ولتاژ 280 ولت و زمان روشنی پالس یک و نیم میلی ثانیه با افزایش فرکانس از 5 به 20 هرتز تعداد قطرات خروجی از نازل از 144 به 246 قطره افزایش یافت. همچنین بیشترین تعداد خروجی قطره در فرکانس 20 هرتز، میزان ولتاژ 280 ولت و زمان روشنی پالس 1.5 میلی ثانیه رخ داد.

    کلیدواژگان: پمپ الکترومغناطیس، جریان منقطع مذاب، پودر فلزات، قلع
  • پژمان کیانی*، مجید قریشی، عبدالحسین جلالی آقچای صفحات 737-745

    در این پژوهش به کمک روش تیوری و روش اجزاء محدود به تحلیل و محاسبه نیروی لازم برای فورج هم دما قطعه دیسکی آلیاژ آلومینیوم 7075 پرداخته شد. در شبیه سازی فرآیند فورج هم دما در نرم افزار دیفرم، دمای 400 درجه سلسیوس، سرعت کفه بالای قالب 1/0 میلی متر بر ثانیه و ضریب اصطکاک برشی برابر 075/0 به عنوان پارامترهای فرآیند انتخاب گردید. با تحلیل نتایج شبیه سازی به روش اجزاء محدود به کمک نرم افزار دیفرم، نیروی لازم شکل دهی فورج هم دما با کورس حرکتی 18/6 میلی متر برابر با 80 تن برای قطعه دیسکی به دست آمد. از روش میدان خطوط لغزش متقارن محوری برای برآورد نیروی شکل دهی فورج هم دما قطعه دیسکی پیش از پر شدن قالب استفاده گردید که نیروی 54/23 تن بدست آمد. مقایسه نیروی شکل دهی فورج هم دما قطعه دیسکی به روش تیوری، با نتایج حاصل از شبیه سازی اجزاء محدود، نشان داد که نیروی شکل دهی با دقت بسیار خوبی با نمودار نیرو - جابه جایی منطبق می باشد. با فرض حجم ثابت در تغییر شکل پلاستیک، نقشه ماده خام، قالب های نهایی بالا و پایین و نقشه مونتاژی فرآیند فورج هم دما قطعه دیسکی آلیاژ آلومینیوم 7075 ارایه گردید.

    کلیدواژگان: فورج هم دما، روش میدان خطوط لغزش، قطعه دیسکی آلیاژ آلومینیوم 7075، اجزاء محدود
  • زینب نورپور، سعید توانگر روستا*، حسین سوری، سید قربان حسینی صفحات 747-757

    روش های عددی  به عنوان یکی از زیر شاخه های مدل های نظری می  توانند رفتار مواد پرانرژی را با دقت مناسب و به دور از محدودیت های آزمایشات تجربی پیش بینی نمایند. در این مطالعه، از ابزار دینامیک سیالات محاسباتی برای پیش بینی عملکرد موج انفجار در حضور موانع هندسی استفاده شده است. شبیه سازی ها با دو حلگر توسعه یافته سونیک فوم (extendedSonicFoam) و بلست فوم (blastFoam) از ماژول تکنولوژی متن باز اپن فوم (OpenFOAM) انجام شده و برای افزایش دقت نتایج، از مدل آشفتگی شبیه سازی گردابه های بزرگ استفاده شده است. علاوه بر معادله حالت گاز کامل، از معادله حالت نیمه تجربی بی-کا-دبلیو (BKW) که یک معادله حالت کامل است و وابستگی صریح به دما دارد برای ارتباط میان پارامترهای مختلف ترمودینامیکی استفاده شده است. برای ثبت سیگنال های فشار- زمان حسگر های متعددی در بالا دست منفجره قرار گرفته و برای اعتبارسنجی نتایج نیز از داده های تجربی گزارش شده در منابع استفاده شده است. میزان خطا در شبیه سازی های انجام شده برای پارامترهای مختلف موج انفجار حداکثر 12/29% بدست آمده است. میزان انحراف از استاندارد برای نتایج حل عددی با معادله حالت گاز کامل نسبت به گاز حقیقی بیشتر بوده و حلگر بلست فوم پارامترهای مهم ماکزیمم اضافه فشار فاز مثبت، زمان رسیدن موج و ایمپالس فاز مثبت را که از مشخصه  های تعیین کننده موج انفجار می  باشند را با خطای کمتری نسبت به حلگر توسعه یافته سونیک فوم پیش  بینی کرده است.

    کلیدواژگان: اپن فوم، دینامیک سیالات محاسباتی، معادله حالت، انفجار، حلگر
  • مهرداد قدمی، رحمت الله قاجار* صفحات 759-769

    هرگاه یک ورق کامپوزیتی چندلایه، تحت بارگذاری کششی شبه استاتیک یا بارگذاری خستگی قرار گیرد، چندین نوع آسیب در آن ایجاد می شود؛ از جمله ترک های ماتریس، ترک های ثانویه و لایه لایه شدگی. اولین نوع آسیب، ترک های ماتریس اند که در لایه های دارای زاویه نسبت به جهت بارگذاری بوجود می آیند. این ترک ها اگرچه منجر به گسیختگی نمی شوند، اما خواص مکانیکی معادل ورق کامپوزیت را کاهش می دهند و می توانند باعث واماندگی سازه گردند. در این مقاله، یک مدل تحلیلی غیرخطی جدید، برای پیش بینی کاهش سفتی ورق های کامپوزیت متعامد ارایه و بکار گرفته می شود. بدین منظور، یک تابع چندجمله ای درجه سوم بعنوان انرژی آزاد هلمهولز پیشنهاد و پس از بررسی تحلیلی تابع پیشنهادی، روابط مربوطه استخراج می گردند. سپس برای اعمال روند افزایش تعداد ترک های ماتریس در روابط، یک آزمایش تجربی میکروسکوپی طراحی و در مورد کامپوزیت متعامد شیشه/اپوکسی استفاده می شود. همچنین برای تعیین ثوابت آسیب موجود در روابط استخراج شده، مدل های میکرومکانیکی اجزا محدود به همراه شرایط مرزی تناوب (PBC) بکار می رود. نتایج این مدل با شبیه سازی های عددی میکرومکانیکی سه بعدی، آزمایش های تجربی بارگذاری-باربرداری تک محوره شبه استاتیک و پژوهش های پیشین صحت سنجی می گردند. نتایج نشان می دهند که مدل پیشنهادی نسبت به مدل های خطی و غیرخطی پیشین، پیش بینی های دقیق تری ارایه می کند. همچنین با استفاده از روش میکروسکوپی پیشنهادی، روند افزایش تعداد ترک های ماتریس به راحتی شناسایی می گردد.

    کلیدواژگان: مکانیک آسیب، کامپوزیت چندلایه، مکانیک آسیب محیط پیوسته، میکرومکانیک، مدل غیرخطی
|
  • Sajad Behzadipour, MohammadBagher Mohammad Sadeghiazad* Pages 697-714

    This study has experimentally investigated the effect of Fe3O4 and secondary flow injection on convection heat transfer and friction coefficient on a horizontal pipe. Secondary flow injected to main flow to make more turbulence to five different models. Water and Fe3O4 have been considered in5865 to 18800 Reynolds range and three0.01%,0.03% and0.06% volume concentrations. Length and diameter of test tube considered 65 cm and 1.7 cm, respectively, the diameter of secondary flow injection holes considered 3 mm and 4.5 mm, the ratio of volumetric flow rate to total flow considered 10% and 20% and distance between secondary flow injection holes considered 4 and 2. The results show that the increase of diameter of secondary flow injections holes, the ratio of secondary flow volumetric flow rate to total flow and the decrease of distance between secondary flow injection holes are effective on coefficient of utilization increase. The highest coefficient of utilization achieved   =20%,  =2 in each model using water fluid in d=4.5 state. In this state, the mean of coefficient of utilization achieved 1.256, 1.266, 1.31, 1.45 and 1.52 for first, second, third, fourth and fifth models in all Reynolds, respectably. The above state has the highest thermal performance in the fourth and fifth models. The mean of coefficient of utilization in all Reynolds increased 0.91%, 3.97% and 4.98% for the above state in the fourth model using Fe3O4 with three0.01%,0.03% and0.06% volume concentrations to water fluid, respectively. Similarly, this increase achieved 1.58%, 4.56% and 5.66% in the fifth model, respectively.

    Keywords: Thermal performance, Nanofluid, Secondary flow injection, experimentally
  • Alireza Asadi*, Farzad Jafarkazemi, Mohammadhasan Jalaleddin Abyaneh Pages 715-726

    The concept of Zero Energy Building [5] has been introduced globally to reduce energy consumption and carbon emissions in the building sector. Renewable energy systems such as Solar Thermal collectors, Photovoltaic collectors, and Heat Pumps are used to implement ZEBs. This study proposes a Building Integrated Photovoltaic Thermal-Air Source Heat Pump (BIPVT-ASHP) to realize ZEB in a small-scale building. To evaluate the performance of the system, a BIPVT-ASHP hybrid system model was designed, and also the building load model was defined based on the actual building conditions. Then, the heating and cooling performance of the BIPVT-ASHP system was dynamically simulated for one year using TRNSYS software. Then the system was numerically evaluated from energy, economic and environmental perspectives. According to the results of this study, for this system, the initial non-renewable energy consumption was 1.29 kWh/m2 per year, which was less than the heating energy threshold for the ZEB, and the proposed system met well the ZEB conditions. In addition, it was shown that for a given area, photovoltaic/thermal technology leads to a further reduction in non-renewable primary energy consumption but less solar thermal energy production compared to traditional separate production using photovoltaic [2] collectors.

    Keywords: Solar Energy, zero energy building, air-source heat pump, building integrated photovoltaic heat collector
  • Farid Bagherpoor, Alireza Sadeghi*, Kambiz Oskouei Pages 727-736

    Melt conductivity of metals makes it possible to apply force directly to the melt by electromagnetic forces. The movement of melt performs without using any mechanical parts, and it also reduces the risk of corrosion of metal parts in contact with molten metals. In this research, a discontinuous molten flow is generated from a designed nozzle, and after a cooling process, the droplets convert to metal powders or granules. In this pump, drop-on-demand formation is based on eddy currents and alternating electromagnetic forces inside the melt. The most important effective parameters in the induction coil are the current, voltage, and frequency. In order to control the operation of the pump, it is necessary to understand its effects and to find the optimal conditions. The results of studies show that the most effective parameter affecting the number of drops released per unit of time is the voltage of the coil and then the frequency and finally the pulse on time. In this project, by studying various effective parameters, a device was designed to generate molten droplets. The results showed at the voltage of 280 v, pulse-On time of 1.5 ms, and also by increasing frequency from 5 to 20 Hz, the number of droplets increased from 144 to 246 drops. The highest number of drop outputs occurred at the frequency of 20 Hz, Voltage of 280 v, and pulse-On time of 1.5 milliseconds.

    Keywords: Electromagnetic pumps, Drop of Demands, Metal powder, Tin
  • Pejman Kiani*, M. Ghoreishi, Abdolhossein Jalali Aghchai Pages 737-745

    In this Study, the necessary force of the isothermal forging process of disc piece of aluminum alloy AA7075 was analyzed and calculated by theoretical methods and finite elements method. In the simulation of the isothermal forging process in Deform software, were selected the temperature of 400 °C, the speed of top mold of 0.1 mm/s and the shear friction coefficient of 0.075 as process parameters. The necessary force of isothermal forging was obtained 80 tons in 6.18 mm Motion Course for disc piece by analyzing the simulation results of finite element method in DEFORM software. The axisymmetric slip line field method was used to estimate the forming force of the isothermal forging of the closed die before of the flash filling, which obtained 23.54 tons. The comparison forming force of isothermal forging of disc piece by theory method with the results obtained from finite element simulation showed that the forming force corresponds very well with the force-displacement diagram is compatible. The geometry of billet, the final top and bottom dies and assembly drawing of isothermal forging process of disc piece of aluminum 7075 dies were calculated by assuming a constant volume in plastic deformation.

    Keywords: Isothermal Forging, Slip line field method, disc piece of Aluminum Alloy 7075, Finite Element
  • Zeinab Noorpoor, Saeed Tavangar Roosta*, Hosein Soury, Seyed Ghorban Hosseini Pages 747-757

    Numerical methods as one of the subcategories of theoretical models can predict the behavior of energetic materials with appropriate accuracy and away of experimental tests limitations. In this investigation, computational fluid dynamics tool has been used to predict the blast wave propagation with Consideration of geometrical obstacles. Two solvers (extendedSonicFoam and blastFoam) from the open source technology module, OpenFOAM  have been used for simulations and To enhance confirmation with reality, large eddy simulation method was employed for turbulence modeling. In addition to the ideal gas equation of state (EOS), the BKW EOS, which is a complete EOS with an explicit temperature dependence, have been used to correlate the various thermodynamic parameters. Several gauges were positioned to record the pressure-time signals and the experimental data reported in the resources were used for validation. It should be noted that the maximum error of simulations was 12.29% for different blast wave parameters. deviation from standard for ideal gas numerical results was greater than that of real gas assumption and blastFoam solver has been predicted maximum positive phase overpressure, arrival time and positive phase impulse, which are the important parameters of blast wave, with less error in comparison to extendedSonicFoam solver.

    Keywords: OpenFOAM, Computational fluid dynamics, Equation of state, Blast, Solver
  • Mehrdad Ghadami, Rahmatollah Ghajar* Pages 759-769

    Once a composite laminate is subjected to quasi-static tensile or fatigue loading, some damage modes initiate and propagate in the laminate. The first damage mode is the matrix crack that forms in the layers with an angle to the loading direction. Although not leading to breakage, these cracks reduce the equivalent mechanical properties of the composite laminate. In this paper, a new nonlinear analytical model is presented and used to predict the stiffness degradation of the cross-ply composite laminates. For this purpose, a new third-order polynomial function is proposed as the Helmholtz free energy of the composite, and the appropriate equations are derived. A microscopic experimental test is designed and accompanied by the analytical model to investigate the damage progression in a glass/epoxy cross-ply laminate. Also, finite-element micromechanical models with periodic boundary conditions (PBC) are proposed and used to determine the damage constants. The model is validated against the 3D micromechanical models and the quasi-static uniaxial loading-unloading experimental tests. The validation shows a very good agreement between the model and the experiments.

    Keywords: Damage Mechanics, Composite Laminate, Continuum Damage Mechanics, Micromechanics, Nonlinear Model