فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و چهارم شماره 11 (بهمن 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/11/18
  • تعداد عناوین: 12
|
  • علیرضا نادری، حسن قاسمی*، حسن بهرامی صفحات 2459-2478
    در این مقاله جریان حول استاتور پیش چرخش پروانه یک شناور کانتینربر به صورت عددی شبیه سازی و تحلیل شده است. پارامترهای استاتور پیش چرخش بیان شده و دو تا از مهمترین آنها یعنی تعداد استاتور و زاویه حمله استاتور مورد تحلیل و بررسی قرار داده شده است. استاتورها در 3 حالت چهار، شش و هشت تایی در پنج زاویه حمله 10، 25/11، 5/12، 75/13 و 15 درجه بررسی شدند. همچنین موقعیت قرارگیری استاتورها بسیار با اهمیت است که با توجه به نوع جریان در پاشنه شناور موقعیت قرارگیری این استاتور تعیین گردید. پس از بررسی نتایج شبیه سازی جریان حول استاتورها، سه استاتور که بهترین عملکرد از منظر افزایش بازده را دارا بودند به عنوان استاتور مرجع انتخاب شدند و ضریب پیشران، ضریب گشتاور برای کل پروانه و یک پره از پروانه و فشار در یک نقطه بر روی پره پروانه برای این سه استاتور مرجع بررسی شده اند. از نتایج بدست آمده دیده شد که حالت هشت استاتور با زاویه حمله 10 درجه تاثیر بهتر از منظر تغییر جهت جریان سرعت و ایجاد نیروی پیشران و گشتاور داشته است. در نتیجه بازده و توان تحویلی را بترتیب 46/3 و 05/4 درصد بهبود بخشیده است. همچنین حالت چهار استاتور با زاویه حمله 10 درجه نوسانات فشار را 45/8 درصد نسبت به حالت بدون استاتور بهبود بخشیده است.
    کلیدواژگان: استاتور پیش-چرخش، بازده پروانه، بهبود سیستم رانش شنانورها، ابزار ذخیره کننده انرژی
  • محمدکاظم مویدی*، فاطمه بیگدلو، فرشاد صباغ زادگان صفحات 2479-2498

    از آنجا که روش‎های تحلیلی به دلیل دقت پایین و دامنه کاربرد محدود کمتر مورد استفاده قرار می‎گیرند و روش‎های عددی نیز زمان‎بر و دارای محدودیت‎های سخت‎ افزاری کامپیوتری به خصوص در مسایل ناپایا هستند، لذا محققان به توسعه مدل‎ها و روش‎های حل با سرعت و راندمان بالاتر روی آورده‎اند. یکی از این الگوها، روش کاهش مرتبه است. روش رتبه ‎کاسته یک الگو جایگزین برای شبیه‎ سازی دینامیک جریان می‎باشد. مدل های رتبه کاسته عمدتا بر مبنای محاسبه ساختارهای موثر سیستم دینامیکی توسعه می یابند. روش تجزیه مود دینامیکی یکی از روش های محاسبه این ساختارهای اساسی می باشد. این پژوهش با استفاده از این الگو و با استفاده از اصول سیستم ‎های دینامیکی، معادله برگرز لزج به صورت یک سیستم دینامیکی رتبه‎کاسته تبدیل شده است. در صورت افزایش عدد رینولدز و کاهش اثرات ناشی از ترم لزج موجود در معادله حاکم، استهلاک لازم در سیستم برای پایدارسازی حل عددی کاسته می شود. همچنین به دلیل کامل نبودن مودهای فرض شده در مسیله و حذف اثر مودها با شماره بالاتر، این کاهش استهلاک بیش‎تر نمود پیدا خواهد کرد. بنابراین با ایجاد یک اتلاف مصنوعی تحت عنوان لزجت گردابه‎ای سعی در پایدارسازی سیستم می‎شود. در نهایت با مقایسه نتایج بدست آمده از مدل رتبه‎کاسته و نتایج شبیه‎سازی عددی مستقیم، دقت این مدل ثابت می شود.

    کلیدواژگان: تجزیه مود دینامیکی، مدل رتبه کاسته، الگوی لزجت گردابه ای، معادله برگرز لزج
  • کریم جعفریان، محمدحسن کیهانی، محسن نظری*، بهادر قربان بخش صفحات 2499-2518

    در تولید نفت به روش های معمول مقدار زیادی از نفت اولیه در مخزن باقی می ماند. راه کارهای استخراج نفت باقی مانده در مخزن را ازدیاد برداشت می نامند. از جمله روش های مرسوم ازدیاد برداشت ، تزریق متناوب آب و گاز است که بررسی این روش تزریق در بستر متخلخل دوبعدی، کمتر مورد توجه بوده است. در این پژوهش تجربی دو بستر متخلخل، با استفاده از چاپگر سه بعدی ساخته شد که یکی ساده و دیگری دارای ترک افقی است. از سیالات گاز نیتروژن و آب، در سه سناریو، به صورت تزریق تنهای گاز، آب و تزریق متناوب هر دو، به منظور ازدیاد برداشت استفاده شده است. سپس با پردازش تصویر، میزان برداشت هر کدام از سناریوهای تزریق، محاسبه گردید. نتایج این مطالعه نشان می دهد که تزریق متناوب، در بستر ساده حدود 55 درصد محیط را جاروب می کند که این میزان بیش 6 برابر برداشت تزریق تنهای گاز و بیش از 5/2 برابر برداشت تزریق تنهای آب است. همچنین تزریق متناوب در بستر با ترک حدود 38 درصد محیط را جاروب می کند که این میزان بیش از 5/2 برابر هرکدام از دیگر تزریق ها است. علت تفاوت برداشت در دو بستر در تزریق متناوب، تاثیر منفی وجود ترک است. همچنین دلیل تفاوت تزریق متناوب و تزریق های تنها را می توان در نمودار اختلاف فشار یافت.

    کلیدواژگان: نفت، ازدیاد برداشت، محیط متخلخل، ترک، تزریق متناوب
  • علی صابر مقدم، علیرضا جهانگیریان* صفحات 2519-2542
    مطالعه جریان باد حول برجهای بلند به دلیل ریزش نامتقارن گردابه ها و در نتیجه وارد شدن نیروهای نوسانی به سازه از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. در پژوهش حاضر شبیه سازی عددی جریان باد حول هندسه مقطع برج بین الملی 56 طبقه تهران در معرض سرعت ها و جهات مختلف باد انجام و نیروهای آیرودینامیکی و قرکانس نوسانات آنها محاسبه گردیده است. سپس با ارایه یک روش جدید از ترکیب مقادیر متوسط و دامنه نوسانات ضرایب آیرودینامیکی در هر سرعت و زاویه وزش و همچنین اعمال احتمال وزش باد سالیانه معیاری برای ارزیابی آیرودینامیکی برج در معرض بادهای سالیانه ارایه شده است. محاسبات عددی با فرض جریان تراکم ناپذیر ناپایا و بهره گیری از مدل توربولانس k-ω SST صورت پذیرفته اند. بحرانی ترین سرعت ها و موقعیت های وزش باد بر برج از نظر مجموع ضرایب متوسط و دامنه نوسانات ضرایب برآ و پسا موقعیت وزش صفر و بیست درجه بترتیب در سرعتهای باد 15 و 10 متر بر ثانیه تشخیص داده شد. به منظور بهبود خواص آیرودینامیکی، تغییراتی در هندسه مقطع برج اعمال و ضرایب آیرودینامیکی آن با هندسه فعلی برج مقایسه شد. بر اساس نتایج بدست آمده هندسه اصلاحی در همه موقعیت های وزش باد دارای مجموع ضرایب آیرودینامیکی کمتر از هندسه اصلی بوده و به صورت میانگین کاهش 21 درصدی مجموع ضرایب آیرودینامیکی را نسبت به هندسه اصلی سبب می شود.
    کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، ضرایب آئرودینامیکی، جریان باد، ریزش گردابه، برج بین المللی تهران
  • مجید سلطانی*، محمد کیانی شاهوندی صفحات 2543-2560
    رسانش موثر داروها به سلول های تومور برای موفقیت اغلب درمان های ضد سرطان ضروری است. در این مطالعه، مدلسازی دوبعدی توزیع غلظت فضایی-زمانی دوکسوروبیسین تحت تزریق بولوس و پیوسته ارایه شده است. شبیه سازی های ریاضی با در نظر گرفتن فرآیندهای فیزیکی و بیوشیمیایی اصلی در رسانش دارو به سلول های تومور انجام شده است. اثربخشی ضد سرطان از طریق تغییرات در تراکم سلول های تومور بر اساس غلظت های درون سلولی پیش بینی شده ارزیابی شد. برخلاف اکثر مدل های محاسباتی دارو رسانی به تومورهای جامد که توزیع عروق خونی در تومور را یکنواخت فرض کردند، شبکه عروقی به عنوان ترم منبع سیال با استفاده از یک روش رگزایی جوانه زنی تولید می شود. نتایج نشان می دهد که داروها در مناطقی که تراکم عروقی بالاست، بیشتر تجمع می کنند و در نتیجه سمیت سلولی دارو بهبود می یابد. در مقایسه با تزریق بولوس، تزریق پیوسته منجر به حفظ طولانی تر سطح بالای غلظت درون سلولی دارو در تومور می شود که در بهبود اثر سمیت موثرتر است. اگرچه تزریق بولوس منجر به 90 درصد پیک غلظت خارج سلولی بالاتر می شود، خطر ایجاد عوارض جانبی شدید وجود دارد. با توجه به نتایج، تزریق پیوسته با نگه داشتن دوکسوروبیسین در سطح نسبتا بالاتر برای دوره طولانی تر در تومور، منجر به افزایش اثربخشی ضد سرطانی در پایان درمان در حدود 26 درصد نسبت به اثربخشی تزریق بولوس می شود.
    کلیدواژگان: شیمی درمانی، دوکسوروبیسین، دارو رسانی، تومور جامد، شبکه مویرگی
  • قاسم حیدری نژاد*، افسانه مجری، حسین عزیزی سرملی صفحات 2561-2582
    امواج مافوق صوت متمرکز شدت بالا یا به طور اختصار هایفو روشی غیرتهاجمی است که کاربردهای درمانی فراوانی را در اختیار پزشکان قرار می دهد. یکی از روش های افزایش بهره وری هایفو، استفاده از ماده ی حاجب لوویست است که از میکروحباب ها تشکیل شده است. در این مطالعه ابتدا میدان فشار هایفو از معادله ی هلمهولتز برای انتشار خطی امواج مافوق صوت مشخص می شود. پس از تعیین فشار ایجادشده، اثرات گرمایی ناشی از تزریق میکروحباب از طریق معادله ی کلر-مکسس محاسبه می گردد. برای بررسی توزیع دما در بافت از معادله ی انتقال حرارت زیستی پنس استفاده شده است. نتایج شبیه سازی حاضر نشان می دهد که در حضور میکروحباب تحت تاثیر میدان فشار هایفو، افزایش بسامد و توان اعمالی باعث افزایش مقدار منابع گرمایی ناشی از نوسان میکروحباب می شود. تاثیر تزریق میکروحباب در افزایش دمای بافت زیستی به طرز چشم گیری محسوس است. در دامنه ی فشار 2/54 مگاپاسکال، دمای بافت در نقطه ی کانونی، برای حالتی که میکروحباب با شعاع اولیه ی 50 میکرومتر تزریق می گردد، 8/28 درجه ی سانتی گراد افزایش می یابد. در صورتی که با تزریق میکروحباب با شعاع اولیه ی 2 میکرومتر دمای بافت 57/72 درصد بیشتر از حالت قبل افزایش پیدا می کند. این در حالی است که دمای این نقطه در شرایط مشابه در غیاب میکروحباب، تنها 5/42 درجه ی سانتی گراد افزایش می یافت. در نهایت مدل آرنیوس نشان داد که حضور میکروحباب با شعاع های اولیه ی مختلف باعث افزایش حجم بافت مردگی تا حدود 38 درصد شده است.
    کلیدواژگان: امواج مافوق صوت متمرکز، بافت زیستی، دینامیک میکروحباب، فرسایش حرارتی، شبیه سازی عددی
  • مینا گلزار، محمدکاظم مویدی*، فرانک فتوحی قزوینی صفحات 2583-2600

    یکی از روش هایی که برای بررسی پدیده ها و رفتار سیستم ها به کار می رود، مدل سازی ریاضی می باشد. بسیاری از پدیده های فیزیکی در زمینه های مختلف علوم طبیعی و رشته های مهندسی با مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل توصیف می شوند. مسایل فیزیکی بزرگ مقیاس با تغییرات مکانی-زمانی زیاد مثل جریان های ژیوفیزیکی و اتمسفری نمونه ای از این مسایل می باشند. از این رو ضرورت استفاده از روش هایی برای کاهش ابعاد حس می شود. روش های مختلفی برای کاهش بعد وجود دارد که در این پژوهش از ترکیب روش تجزیه متعامد بهینه و شبکه حافظه کوتاه مدت ماندگار استفاده شده است. در این پژوهش از شبکه حافظه کوتاه مدت ماندگار به منظور یادگیری تحول زمانی و از روش تجزیه متعامد بهینه برای محاسبه مودها و ایجاد مدل رتبه کاسته استفاده شده است. درنهایت با مقایسه نمودارهای مربوط به ضرایب اصلی و ضرایب پیش بینی شده با استفاده از مدل رتبه کاسته، دقت بالای این روش نشان داده شده است. یکی از مواردی که در بررسی الگوریتم ها موردتوجه می باشد، پیچیدگی زمانی اجرای الگوریتم می باشد. مرتبه زمانی روش پیشنهادی در شرایطی که از 15 مود جهت مدلسازی استفادهشده نسبت به زمانی که تمام ویژگی ها به کار برده شود، 10 مرتبه سریع تر می باشد. از طرفی تولید 90 درصد داده ها به روش شبیه سازیCFD زمانی در حدود 325 دقیقه نیاز دارد. این در حالی است که آموزش شبکه برای پیش بینی رفتار سیستم به کمک روش پیشنهادی به 135دقیقه زمان نیاز دارد که اختلاف زمان محاسباتی قابل توجهی می باشد

    کلیدواژگان: تجزیه متعامد بهینه، شبکه حافظه کوتاه مدت ماندگار، مدل رتبه کاسته، داده های ژئوفیزیکی
  • سروش یوسفی، مازیار چنگیزیان*، سید سعید بحرینیان صفحات 2601-2620
    جداساز فراصوت گاز - مایع یک نازل همگرا - واگرا است که میعان و تغییر فاز در سرعت های بالاتر از صوت از خصوصیات عملکرد این دستگاه می باشد. جریان سیال، انتقال جرم و حرارت در جداسازهای فراصوت به دلیل بر هم کنش پیچیده جریان فراصوت و تغییر فاز به خوبی درک نشده است. در این پژوهش، از معادله حالت گاز ویریال و یک مدل ریاضی برای پیش بینی دقیق پدیده چگالش خود به خودی با استفاده از نظریه های هسته زایی و رشد قطره استفاده شده است. شعاع متوسط قطره و توزیع فشار حاصل شده از مدل عددی به خوبی با داده های تجربی سازگار است. نتایج نشان داد با 3/5% کاهش دمای ورودی در فشار ثابت، شعاع متوسط قطره های خروجی بیش از 40% افزایش یافت. همچنین، با حدود 40% افزایش فشار ورودی در دمای ثابت، بیش ترین کسر جرمی مایع بیش از 90% افزایش یافت. بنابراین، استفاده از دمای پایین و فشار بالا در ورودی به منظور بهبود راندمان جداسازی ضروری است. همچنین، کم ترین میزان نرخ تولید آنتروپی ناشی از تغییرات دما مربوط به بیش ترین فشار و کم ترین دما بوده و کم ترین میزان نرخ تولید آنتروپی ناشی از تغییرات فشار مربوط به کم ترین دما و فشار است. محاسبه عدد بیجان نشان داد که برگشت ناپذیری تحت تاثیر اثرات اصطکاک سیال در مقایسه با انتقال حرارت غالب است.
    کلیدواژگان: جداساز فراصوت، جریان دوفازی، چگالش خود به خودی، تولید آنتروپی، عدد بیجان
  • محمد عباسی شیرگ، سمیرا پایان*، مجتبی حسینی صفحات 2621-2644
    در این مقاله، تاثیر جریان سیال گذرنده از روی یک دسته پره حلقوی با خروج از مرکزهای مختلف برروی تنش های حرارتی ایجاد شده در پره ها بررسی میشود. برای حل معادلات جریان در سیال و تنش حرارتی در جامد به ترتیب از روش حجم محدود با مدل RNG k-ε و المان محدود استفاده می شود. در این مطالعه تاثیر 2 گام و 4 ارتفاع پره بر روی میزان تنش حرارتی ایجاد شده در پره ها بررسی میگردد. سپس در هر ارتفاع پره، اثر 5 خروج از مرکز به منظور کاهش تنش های حرارتی ایجاد شده در پره ها در نظر گرفته میشود. نتایج به دست آمده نشان میدهد که در هر ارتفاع پره، یک خروج از مرکز بهینه وجود دارد که میزان تنش حرارتی در پره در آن حالت از بقیه حالات کمتر است. همچنین نتایج به دست آمده نشان میدهد که بیشترین درصد کاهش تنش در پره نسبت به حالت بدون خروج از مرکز در هر دو گام 4 و 8 میلی متر مربوط به ارتفاع 4 میلی متری پره و به ترتیب بیش از 30 %و 35% می باشد. همچنین در گام 4 میلی متر در ارتفاع های مختلف 2، 4، 6 و 8 میلی متر به ترتیب خروج از مراکز بهینه در مکان های 25/0، 5/1، 25/2، 3 و در گام 8 میلی متر به ترتیب خروج از مراکز بهینه در مکان های، 5/0، 5/1، 25/2، 3 واقع میگردد.
    کلیدواژگان: روش المان محدود، روش حجم محدود، خروج از مرکز پره حلقوی، تنش حرارتی، جریان متلاطم
  • شهرام طالبی*، نازیلا ماکولاتی صفحات 2645-2662
    امروزه از انتقال حرارت جوشش استخری در بسیاری از تجهیزات صنعتی و کاربردهای مهندسی استفاده می شود. انتقال حرارت جوشش استخری در مقایسه با انتقال حرارت تکفازی، به دلیل استفاده از ظرفیت گرمای نهان تبخیر مایعات، ظرفیت انتقال حرارت بیشتری دارند. ازاین رو در این مقاله به بررسی انتقال حرارت جوشش استخری روی صفحه عمودی صاف و شیاردار مثلثی و دایره ای با استفاده از شبیه سازی های عددی پرداخته شده است. در مطالعات انجام شده اثر افزودن دو نوع شیار مثلثی و دو نوع شیار دایره ای با ابعاد متفاوت و نیز چهار دمای سطح گرمایش مختلف بررسی شده است. به منظور مدل سازی جریان دوفازی در این مقاله از روش حجم سیال استفاده و معادلات حاکم با استفاده از روش حجم محدود حل شده است. نتایج به دست آمده نشان داده است که اضافه کردن شیارهای مثلثی و دایره ای روی سطح گرمایش منجر به افزایش متوسط شار حرارتی خواهد شد. در حالت سطح شیاردار مثلثی، مقدار شار حرارتی متوسط وارد شده به مایع آب بین 128% تا 177% افزایش پیدا کرده است. با ایجاد شیار دایره ای، در نهایت مقدار شار حرارتی متوسط به مقدار 69% تا 105% افزایش داشته است. همچنین مقدار بخار آب نیز در حالت سطح شیاردار مثلثی 160% تا 340% و در حالت سطح شیاردار دایره ای بین 101% تا 155% افزایش داشته است.
    کلیدواژگان: جوشش استخری، صفحه عمودی، شیار مثلثی، شیار دایره ای، روش حجم سیال
  • عسگر مینایی*، نگین معلمی خیاوی صفحات 2663-2680
    در مقاله حاضر به بررسی عملکرد تهویه طبیعی عبوری در تامین آسایش حرارتی یک ساختمان نمونه در شش شهر ایران با اقلیم های آب وهوایی مختلف با استفاده از نرم افزار انرژی پلاس پرداخته شده است. برای بررسی آسایش حرارتی ساختمان از مدل آسایش حرارتی تطبیقی استاندارد اشری 55 استفاده شده است. این مدل برای بررسی آسایش حرارتی در ساختمان های خنک شونده با تهویه طبیعی و فاقد تجهیزات تهویه مطبوع و مکانیکی پیشنهاد شده است. برای شبیه سازی تهویه طبیعی نیز مدل شبکه جریان هوا در نظر گرفته شده است. زمان شبیه سازی برای هر شش شهر از یک فروردین تا 31 شهریور در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که برقراری آسایش حرارتی در ساختمان نمونه بیش از هر چیز به شرایط آب وهوایی و نوع اقلیم وابسته است. بهترین عملکرد برای شهر تبریز با اقلیم سرد و ضعیف ترین عملکرد برای شهر بندرعباس با اقلیم گرم و مرطوب مشاهده شده است. به طوری که با استفاده از تهویه طبیعی عبوری برای ساختمان نمونه در شهر تبریز در ساختمان بدون عایق در بیش از 69% موارد، آسایش حرارتی برقرار شده است که برای بندرعباس این عدد حدود 12% به دست آمده است. همچنین نتایج نشان داد که استفاده از عایق با ضخامت cm 5 در جداره های خارجی ساختمان درصد زمان های برقراری آسایش حرارتی را در مقایسه با ساختمان بدون عایق برای تمامی شهرها در حدود 8-12% افزایش می دهد.
    کلیدواژگان: تهویه طبیعی عبوری، مدل آسایش حرارتی تطبیقی، سرمایش، انرژی پلاس
  • محسن ناظمیان علائی، محمدصادق ولی پور* صفحات 2681-2702

    وینگ سوت به عنوان یکی از ورزش های پرطرفدار در شاخه هوانوردی در حال حاضر مورد استقبال زیادی قرار گرفته است.کارایی و امنیت در الویت اول طراحان لباس های این ورزش می باشد. در این مقاله به مدل سازی، شکل گیری و ارزیابی سطح لباس وینگ سوت در حین پرواز پرداخته شده است. از آنجاییکه لباس وینگ سوت تحت فشار هوای داخل آن است، شکل گیری ساختار سطح لباس با توجه به شرایط پرواز تغییر می کند. سطح لباس وینگ سوت برای ارزیابی آیرودینامیکی مدل وینگ سوت دارای اهمیت است. با توجه به نحوه دوخت لباس های وینگ سوت، ساختار موج روی سطح بال بدست خواهد آمد. برای مشاهده بهتر اثرات تغییر هندسه ی بال بر مانور پذیری، مدل به صورت صلب انتخاب گردیده است. نتایج آزمایشگاهی روی سطح مدل نشان می دهد که با افزایش زوایه حمله، جریان روی سطح بال دچار افزایش بهم ریختگی در ناحیه میانی بال دست و کاهش اثرات آن در ناحیه بالایی بال پا می گردد. این بر همکنش جریان در مدل منجر به عملکرد متفاوت مدل در زوایای حمله مختلف می گردد؛ با اندازه گیری نیروهای وارده بر مدل، زاویه 15 درجه به عنوان بهترین زاویه از نظر عملکرد پرواز مدل وینگ سوت به دست آمد.

    کلیدواژگان: وینگ سوت، الگوی جریان، ضرایب آیرودینامیکی، تونل باد
|
  • Alireza Nadery, Hassan Ghasemi *, Hassan Bahrami Pages 2459-2478
    In this paper, the pre-swirl stator (PSS) for the propeller of a container ship is numerically simulated and analyzed. The parameters of the pre-swirl stator (PSS) are stated, and two most important paremeters, namely the number of stators and the angle of attack are considered and analyzed. The stators are chosen in three number of blades (four, six, and eight blades) and at five angles of attack (10, 11.25, 12.5, 13.75, and 15 degrees). In addition, the position of the stators is important, which is determined according to the flow direction in the ship stern. After analyzing the stator simulation results, the three stators, which have favorable performance in terms of efficiency, were selected as reference stators. Then, the thrust and torque coefficients for all blades and one blade of the propeller, and pressure at one point on the propeller blade are examined. The results are indicated that the stator with eight blades and at the angle of attack of 10 degrees has a better performance in terms of changing the direction of propeller inflow and producing thrust and torque. Therefore, it is improved that the efficiency and delivered power by 3.46% and 4.05%, respectively. Moreover, the four blades stator with an attack angle of 10 degrees has improved the pressure fluctuations by 8.45% compared to the non-stator condition.
    Keywords: Pre-swirl stator, propeller efficiency, improvement of ship propulsion system, energy saving devices
  • MohammadKazem Moayyedi *, Fatemeh Bigdeloo, Farshad Sabaghzadeghan Pages 2479-2498

    Because analytical methods are less commonly used due to their low accuracy and limited application range, and numerical methods are time-consuming and have computer hardware limitations, especially in unsteady problems, researchers The development of models and solution methods has turned to higher speeds and efficiencies. One of these patterns is the order reduction method. The reduced rating method is an alternative model for simulating flow dynamics. Degraded models are developed mainly on the basis of calculating the effective structures of a dynamic system. The dynamic mode Decomposition method is one of the methods for calculating these basic structures. Using this model and using the principles of dynamic systems, the viscous Burgers equation has been transformed into a low-ranking dynamic system. If the Reynolds number is increased and the effects of the viscous term in the governing equation are reduced, the depreciation required in the system to stabilize the numerical solution is reduced. Also, due to the incompleteness of the assumed modes in the problem and the elimination of the effect of modes with higher numbers, this decrease in depreciation will be more pronounced. Therefore, by creating an artificial loss called vortex viscosity, an attempt is made to stabilize the system. Finally, by comparing the results obtained from the reduced model and direct numerical simulation results, the accuracy of this model is proven.

    Keywords: Dynamic mode decomposition, reduced-order model, eddy viscosity closure, Viscous Burgers equation
  • Karim Jafarian, MohammadHasan Kayhani, Mohsen Nazari *, Bahador Ghorbanbakhsh Pages 2499-2518

    Large amounts of oil remain in the reservoir in conventional oil production. Strategies for extracting residual oil in the reservoir are called enhanced oil recovery(EOR). One of the usual methods of EOR is the WAG injection. The study of this injection method in a two-dimensional porous medium has been less considered. In this study, two porous mediums are made using a 3D printer. One is simple(S), and the other has a horizontal fracture(F). Nitrogen gas and water have been used in three different scenarios, in the form of a single injection of gas, a single injection of water, and the alternating injection of both, in order to increase the oil recovery. Then, by image processing, the recovery rate of each injection scenario is calculated. This study shows that the WAG injection in S sweeps about 55% of the media, which is more than 6 times the injection of gas alone and more than 2.5 times the injection of water alone. WAG injections in the F also sweep about 38% of the media, which is more than 2.5 times than the other injections scenario. The reason for the difference in recovery rate between the two media in WAG injection is the negative impact of fracture. Also, the difference between WAG injection and single injections can be found in the pressure gradian diagram.

    Keywords: Oil, EOR, Porous medium, Fracture, WAG injection
  • ALI Saber Moghadam, Alireza Jahangirian * Pages 2519-2542
    The study of wind flow around tall towers is of particular importance due to the asymmetric vortex shedding and the consequent vortex induced vibrations into the structure. In the present study, the numerical simulation of the wind flow over the cross-section of the 56-store Tehran International Tower is performed and the aerodynamic force coefficients and oscillation frequencies and amplitudes are calculated. Then, by presenting a new method of combining average values and amplitude of fluctuations of aerodynamic coefficients at each wind velocity and direction, as well as applying the annual wind probability in Tehran, a criterion for aerodynamic evaluation of Tower exposed to annual winds is presented. Numerical calculations are performed using unsteady incompressible flow and k-ω SST turbulence model.The most critical wind speeds and positions on the tower in terms of the sum of the average coefficients and their ranges of fluctuations is detected at the directions of 0 and 20 degrees at wind speeds of 15 and 10 m/s, respectively.In order to improve the aerodynamic properties of the tower, geometrical modifications are made and its aerodynamic force coefficients are calculated. Based on the obtained results, the corrected geometry in all wind blowing directions has a lower total aerodynamic force coefficient than the original geometry and causes an average reduction of 21% of the total aerodynamic force coefficients compared to the original geometry.
    Keywords: computational fluid dynamics, Tehran International Tower Section, aerodynamic coefficients, vortex shedding, Annual Winds
  • Majid Soltani *, Mohammad Kiani Shahvandi Pages 2543-2560
    Effective delivery of drugs to tumor cells is essential for the success of most anticancer therapies. In this study, two-dimensional modeling for spatiotemporal distribution of doxorubicin concentration under bolus injection and continuous infusion is presented. Mathematical simulations have been performed considering the main physical and biochemical processes in drug delivery to tumor cells. Anticancer effectiveness is evaluated through changes in tumor cell density based on predicted intracellular concentrations. Unlike most computational models of drug delivery to solid tumors, which assume a uniform distribution of blood vessels in the tumor, the vascular network as a fluid source term is produced using a sprouting angiogenesis method. The results demonstrate that the drugs accumulate more in areas with high vascular density, resulting in improved drug cytotoxicity. Compared to bolus injection, continuous injection leads to longer high level maintenance of intracellular drug concentrations in the tumor, which is more effective in improving the cytotoxic effect. Although bolus injection leads to a 90% higher extracellular concentration peak, there is the risk of severe side effects. According to the results, continuous injection by keeping doxorubicin at a relatively higher level for a longer period in the tumor leads to improved anticancer effectiveness about 26% relative to the effectiveness of bolus injection at the end of the treatment.
    Keywords: Chemotherapy, Doxorubicin, Drug delivery, Solid tumor, Vascular network
  • Ghassem Heidarinejad *, Afsaneh Mojra, Hossein Azizi Sormoli Pages 2561-2582
    High-intensity focused ultrasound (HIFU) provides many therapeutic applications for physicians. One of the ways to increase the efficiency of HIFU is using a levovist contrast agent, which consists of microbubbles. We calculate the pressure field of HIFU using the Helmholtz equation for linear ultrasonic propagation. Using the Keller-Miksis equation, we calculate the thermal effects caused by microbubble injection after determining the acoustic pressure. The Pennes bioheat transfer equation was used for the tissue temperature distribution. The present simulation results show that in the presence of a microbubble under the influence of HIFU pressure field, increasing the applied frequency and power increases the value of heat sources caused by microbubble oscillation. An increase in the temperature of biological tissue can be observed after the injection of microbubbles. In the pressure range of 2.54 MPa, the temperature of the tissue at the focal point, for the case where the microbubble with the initial radius of 50 μm is injected, increases by 8.28 ℃. Meanwhile, if a microbubble with an initial radius of 50 micrometers is injected, the temperature of the tissue increases by 57.72% more than before. However, the temperature of this point increased by only 5.42 ℃ in the same conditions in the absence of microbubbles. Finally, the Arrhenius model showed that microbubbles with different initial radii increased the volume of ablation tissue by about 38%.
    Keywords: Focused ultrasound, biological tissue, Microbubble dynamics, Thermal ablation, numerical simulation
  • Mina Golzar, MohammadKazem Moayyedi *, Faranak Ffotouhi Ghazvini Pages 2583-2600

    Mathematical modeling is used to study the phenomena and behavior of the system. Complex mathematical equations require powerful and time-consuming computational tools where they must be examined in order to obtain the correct behavior of a system.. In various science and engineering fields, many physical phenomena are introduced using a set of differential equations. They are known as mathematical models of physical systems. High-accuracy numerical simulations utilize numerical schemes and modeling tools to solve this set of equations and generate useful information about the behavior of a system. However, software engineering and processor technologies are rapidly advancing; computational complication is still an important factor in the simulation with high accuracy. It makes many restrictions in the solution of scientific problems in different research fields. Some examples of these problems are large-scale physical problems such as geophysical and atmospheric flows, which have high temporal and spatial variations. Therefore, the development of effective and robust algorithms to achieve the maximum quality of numerical simulations with the optimal computational cost is a research topic. There are several methods for dimension reduction but this study used a combination of POD and long short term memory (LSTM) network. Finally, comparing the results related to the modal coefficients which are obtained by the reduced-order model and CFD snapshots projection shows the high accuracy of the proposed method.

    Keywords: Proper Orthogonal Decomposition, Long Short Term Memory network, Reduced Order Model, Geophysical data
  • Soroush Yousefi, Maziar Changizian *, Seyed Saied Bahrainian Pages 2601-2620
    The gas-liquid supersonic separator is a convergent-divergent nozzle in which condensation and phase change at speeds higher than sound are the characteristics of this device. The fluid flow, mass, and heat transfer in supersonic separators are not understood well due to the complicated interaction of the supersonic flow and phase change. In this research, the virial gas equation of state and a mathematical model have been used to accurately predict the phenomenon of spontaneous condensation using theories of nucleation and droplet growth. The droplet average radius and pressure distribution obtained from the numerical model are well consistent with the experimental data. The results showed that with a 3.5% decrease in inlet temperature at a constant pressure, the average radius of the outlet droplets increased by more than 40%. Also, with about a 40% increase in inlet pressure at a constant temperature, the maximum liquid mass fraction increased by more than 90%. Therefore, the use of low temperature and high pressure at the inlet is necessary to improve the separation efficiency.Also, the lowest entropy generation rate due to temperature changes is related to the highest pressure and the lowest temperature, and the lowest entropy generation rate due to pressure changes is related to the lowest temperature and pressure.The Bejan number calculation showed that irreversibility is affected by the effects of fluid friction compared to heat transfer.
    Keywords: Supersonic separator, two-phase flow, Spontaneous condensation, Entropy generation, The Bejan number
  • Mohammad Abbasi Shirg, Samira Payan *, Mojtaba Hosseini Pages 2621-2644
    In this paper, the effect of the passed fluid flow around a fin in the bundle of annular fins with different eccentricity on thermal stresses created in it is discussed. To solve the turbulent fluid flow equations and thermal stress in solid, the volume element with k-ε model and finite element methods are used, respectively. The results are obtained for 2 fin spacing and 4 heights of fins. Then, in each fin height, the effect of 5 eccentricities on decrease of thermal stress are considered. The results show that at each fin height there is an optimal eccentricity for which the thermal stress in the fin reaches its minimum value. The results show that the maximum decrease of thermal stress in optimal eccentricity related to fin heigh 4mm for both fin spacing of 4 mm and 8mm are 30 , 35% respectively. Also, in fin spacing of the 8 mm at different heights of 8, 6, 4, and 2 mm, the optimal eccentricities are 3, 2.25, 1.5, and 0.5 mm, respectively and in fin spacing of the 4 mm at different heights of 8, 6, 4, and 2 mm, the optimal eccentricities are 3, 2.25, 1.5, and 0.25 mm, respectively.
    Keywords: finite element method, Finite volume method, Eccentricity, Thermal Stress, Turbulent flow
  • Shahram Talebi *, Nazila Makulati Pages 2645-2662
    Today, pool boiling heat transfer is used in many industrial equipments and engineering applications. Pool boiling heat transfer compared to single-phase heat transfer has a higher heat transfer capacity due to the use of latent heat evaporation of liquids. Therefore, in this study, the pool boiling heat transfer on a flat vertical plate and plate with triangular and circular grooves have been investigated using numerical simulations. In studies, the effect of adding two types of triangular grooves, two types of circular grooves with different dimensions and four heating surface temperatures has been investigated. In order to simulate the two-phase flow in this study, the volume of fluid method was used and the governing equations were solved using the finite volume method. The obtained results showed that adding triangular and circular grooves on the heating surface will increase the average heat flux. In the triangular grooved surface case, the average heat flux which entered to liquid increased between 128% to 177%. By using circular groove, the average heat flux aguments about 69% to 105%. Also, the water vapor value in the triangular grooved surface case incresead between 160% to 340% and in the circular grooved surface case rises between 101% to 155%.
    Keywords: Pool boiling, Vertical Plate, Triangular Groove, Circular Groove, Volume of Fluid Method
  • Asgar Minaei *, Negin Moallemi Khiavi Pages 2663-2680
    In the present article, the performance of natural cross ventilation in providing thermal comfort in a building across six cities of Iran with different climates has been investigated using EnergyPlus software. To evaluate the thermal comfort of the building, the adaptive thermal comfort model of ASHRAE Standard 55 has been applied. This model is proposed to evaluate the thermal comfort in naturally ventilated buildings without any mechanical ventilation equipment. However, the air flow network model has been considered to simulate natural ventilation through openings. The simulation time for all six cities is considered from 21 March to 22 September. The results show that the achievement of thermal comfort in the building depends mainly on climate. The best and the worst performance has been observed for Tabriz with cold climate and Bandar Abbas with hot and humid climate, respectively. The thermal comfort has been provided in more than 69% of the times applying natural cross ventilation in Tabriz for the building without insulation. While this value for Bandar Abbas is estimated about 12%. Also results show that use of insulation with a thickness of 5 cm in the external constructions of the building make an increase of about 8-12% in the hours of thermal comfort for all cites compared to the building without insulation.
    Keywords: Cross natural ventilation, Adaptive thermal comfort model, cooling, EnergyPlus
  • Mohsen Nazemian Alaei, MohammadSadegh Valipour * Pages 2681-2702

    Wingsuit as one of the most popular sports in the field of aviation is very popular. Efficiency and safety are the first priority of the designers of this sport. In this article, the modeling, formation, and evaluation of the surface of the wingsuit during a flight are discussed. Since the wingsuit is under air pressure inside it, the formation of the structure of the surface of the suit changes according to the flight conditions. The surface of the wingsuit is important for the aerodynamic evaluation of the wingsuit model. According to the way of sewing wingsuit clothes, the wave structure will be obtained on the surface of the wing. In order to better observe the effects of changing the wing geometry on maneuverability, the model has been selected as rigid. The experimental results on the surface of the model show that with the increase of the angle of attack, the flow on the surface of the wing increases the disturbance in the middle area of the wing and reduces its effects in the upper area of the wing. This interaction of the flow structure on the model leads to the different performances of the model in different angles of attack; By measuring the forces on the model, AOA= 15 was obtained as the best angle of flight performance for the wingsuit model.

    Keywords: Wingsuit, Flow visualization, aerodynamic coefficients, Wind tunnel